CC BY
43
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
материалов. Организация систем управления. Иркутск, 2013.
3. Пат. 2141390 Рос. Федерация. Способ правки тонкостенных оболочек / С.К. Каргапольцев, М.В. Некрытый. № 98110229/02 ; заявл. 26.05.1998 ; опубл. 20.11.1999.
4. Пат. 56858 Рос. Федерация. Устройство для управления состоянием объекта защиты / А.П. Хоменко, С.В. Елисеев, В.Е. Гозбенко, Н.В. Ба-нина. Опубл. 27.09.2006.
5. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц А.В. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. С. 50-54.
6. Говорков А.С. Управление параметрами объектов производственной среды при разработке технологического процесса сборки изделия // Труды МАИ : электронный журнал. 2011. № 48. С. 6. URL: https://www.mai.ru/science/trudy/_pub-lished.php?ID=26972. (Дата обращения 22.04.2016).
7. Массель Л.В., Жиляев А.С., Говорков А.С. Методика перехода от трехмерной модели к онто-
логическому представлению изделии авиационной техники // Мехатроника. Автоматизация. Управление. 2016. № 2. Т. 17. С. 133-137.
8. Говорков А.С., Ахатов Р.Х. Анализ технологичности изделия авиационной техники на основе информационного образа изделия // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2011. Т. 13. № 6-1. С. 285-292.
9. Говорков А.С. Обеспечение технологичности конструкций изделий машиностроения по информационным моделям : дис. ... канд. техн. наук / Иркут. гос. техн. ун-т. Иркутск, 2012.
10. Говорков А.С., Жиляев А.С. Информационная модель проектируемой конструкции изделия планера самолета // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2013. Т. 15. № 6-2. С. 335338.
11. Савилов А.В., Пятых А.С. Определение коэффициентов сил резания для моделирования процессов механообработки // Известия Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2015. Т. 17. № 2. С. 211-217.
УДК 621.762 Измайлов Владимир Васильевич,
д. т. н., профессор, Тверской государственный технический университет, тел. 8(4822)78-88-80, e-mail: iz2v@tvcom.ru Новоселова Марина Вячеславовна, к. т. н., доцент,
Тверской государственный технический университет, тел. 8(4822)78-88-80, e-mail: novoselova.tgtu@yandex.ru
РАСЧЕТНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОВОДИМОСТИ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО ПОРОШКОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
V. V. Izmailov, M. V. Novoselova
COMPUTATIONAL MODEL FOR ESTIMATION OF A CONDUCTIVITY OF BINARY POWDER COMPOSITE
Аннотация. Описана теоретическая модель для оценки проводимости (удельного сопротивления) двухкомпонентного порошкового композиционного материала (ПКМ). Приведен обзор теорий обобщенной проводимости гетерогенных систем. В отличие от известных теоретических зависимостей для расчета обобщенной проводимости гетерогенных систем, учитывающих только концентрацию компонентов, данная модель учитывает также пористость материала и свойства интерфейса контактирующих гранул, а именно, наличие поверхностных пленок и их частичное разрушение в процессе прессования.
Проведена проверка адекватности результатов, полученных с помощью предложенной модели, путем их сравнения с соответствующими величинами, рассчитанными по известным теоретическим зависимостям.
Проведена экспериментальная проверка результатов моделирования на металлических двухкомпонентных ПКМ. Экспериментальные данные, полученные авторами статьи и взятые из литературных источников, лежат в диапазоне расчетных значений удельного сопротивления, как для компактных, так и для пористых ПКМ. Адекватность расчетной модели подтверждается экспериментальными результатами как в случае близких, так и в случае значительно отличающихся значений удельного сопротивления компонентов ПКМ.
Предложенная модель может быть применима к материалам электротехнического назначения для контроля их качества.
Ключевые слова: удельное сопротивление, порошковый композиционный материал, математическое моделирование.
Abstract. The theoretical model for the estimation of the conductivity (specific resistance) of binary powder composite has been described. The theories of a generalized conductivity of heterogeneous systems are reviewed. In contrast to current theoretical dependences for composite generalized conductivity calculation, which take into account only a concentration of components, the developed model takes account of material porosity and properties of interface of granules, namely, a presence of surface films and their partial fracture during the material compaction.
Машиностроение и машиноведение
The adequacy of results obtained on the base of the developed model was verified by their comparison with corresponding values, calculated by means of known theoretical dependences.
The experimental verification of modeling results was carried out for binary metal powder composites. Experimental data obtained by the authors ofpaper and taken from other publications are located within the range of calculated values of specific resistance both for compact and porous materials. Experimental results confirm the adequacy of computational model both for similar and considerably dissimilar conductivities of composite components.
The proposed model is applicable to electrical materials for their quality monitoring.
Keywords: specific resistance, powder composite, mathematical modeling.
Введение
Композиционные металлические материалы, полученные методами порошковой металлургии, находят широкое применение в электротехнической промышленности, в частности, при изготовлении электроконтактных изделий, основной эксплуатационной характеристикой которых является проводимость.
В области расчетных моделей обобщенной проводимости гетерогенных систем и, в частности, композиционных материалов опубликовано большое число зарубежных и отечественных работ. К числу основных параметров, определяющих проводимость композита, отнесены следующие факторы: проводимость и объемная доля компонентов; форма и размеры частиц наполнителя; равномерность распределения наполнителя; дисперсность наполнителя.
Известные расчетные модели не учитывают такой важный фактор, как состояние поверхности исходных частиц компонентов материала и свойства их контактов в композите. Наличие поверхностных пленок, в первую очередь оксидных, приводит к тому, что доля металлического контакта в общей площади контакта частиц может быть далека от 100 %. Между тем именно эта доля определяет механические и электрические свойства металлического композита.
В данной статье описана расчетная модель для оценки удельного сопротивления двухкомпо-нентного порошкового КМ, учитывающая ключевые факторы, определяющие качество электропроводящего материала: пористость и состояние поверхности контакта отдельных частиц. Максимальная доля металлического контакта частиц (минимальное присутствие окисных или иных непроводящих пленок на поверхности межчастичного контакта) обеспечивает высокую проводимость материала и его механическую прочность. Пористость материала также влияет на его эксплуатационные характеристики. Например, повышается электрическая износостойкость и уменьшается вероятность залипания контактов.
Обзор теорий
обобщенной проводимости смесей
К классическим решениям теории обобщен-
ной проводимости относится уравнение Максвелла для гетерогенной системы, состоящей из изотропной среды, в которую введены шарообразные включения [1]. Формула для расчета проводимости имеет вид
А2 + 2А,! + 2рг(А2 _ А^)
А — Aj
А2 + 2Aj Р2(А2 ~ Ai)
(1)
где А1 - проводимость менее проводящей фазы; А2 и Р2 - проводимость и объемная доля более проводящей фазы.
Известны также решения Оделевского для матричной системы с кубическими включениями и для системы хаотически распределенных частиц (статистическая модель) [1]. Для проводимости матричной системы при принятых выше обозначениях справедлива формула
А — Aj
1 -Р2
А
А1 - А 2
1 -Р
3
(2)
Формула для расчета проводимости статистической модели имеет вид
^=(3Pi - 1)А1 + (3Р2 -1)А2 +
+
<- х 7
(3ft- 1)А+ (3Р2-1)А2^ А А
(3)
+
. , 4 ) 2
Следует отметить, что формулы (1) - (3) применимы при невысоком объемном содержании включений. Во всем интервале объемного содержания компонентов (то есть от 0 до 1) в хаотической смеси с различной формой частиц компонентов работает так называемый закон смещения, предложенный Лихтенеккером [1]:
А = АР11 Ар22 . (4)
При рассмотрении объема двухкомпонент-ной смеси Лихтенеккер ввел меру вероятности w. Если считать, что ни один из типов включения не имеет преобладания в смеси, то надо считать w = 0,5. При этом соотношение (4) принимает вид
А —
А1А 2
РЛ + Р2А 2
Р1А 2 + Р 2А1
(5)
где Pi + Р2 = 1.
1
4
2
К наиболее значимым в области теории проводимости можно отнести обобщения и результаты, описанные в работе Г.Н. Дульнева и Ю.П. Заричняка [2]. Авторы ввели понятие элементарной ячейки как элемента структуры, периодическое повторение которого образует систему с дальним порядком, и сформулировали правило, согласно которому проводимость системы с дальним порядком равна проводимости элементарной ячейки этой системы.
В их работах отмечено, что величина проводимости смеси зависит от способа дробления структуры. При этом они используют метод электростатических аналогий, приводя задачу расчета проводимости смеси к задаче расчета линейных электрических цепей.
Таким образом, получена зависимость проводимости А двухкомпонентной структуры типа «куб в кубе» от проводимости исходных компонентов и их концентрации в смеси:
А' — А|
А — А]
и - (и -1)(1 -12/3)12/3 и — 213 (и -1) 1 + (и -1)223 1+(и - 1)12 3 (1 — 12 3)
А —
А' + А'' 2
(6)
где А1 - проводимость матрицы; А2 - проводимость включений; u = А2/А1. Проводимости А' и А" соответствуют различным способам разбиения материала (рассматриваемый объем смеси состоит из элементарных ячеек с параллельным и последовательным включением компонентов с относительным содержанием таких ячеек в смеси (1 - и) и и соответственно).
Следует отметить, что в формулах (1)-(6) не учитывается наличие пористости в материале, что ограничивает область их применимости. Кроме того, очевидно, что в них отсутствуют параметры, которые учитывали бы состояние контакта частиц порошкового материала.
Моделирование структуры пористого порошкового КМ Рассмотрим пористый порошковый КМ, состоящий из двух компонентов. Примем следующие предпосылки: состав материала практически монофракционный; первоначальная форма частиц близка к сферической; распределение компонентов и пор (вакантных мест) в материале случайное и равномерное; частицы обоих компонентов деформированы в среднем одинаково.
Технологический процесс получения порошкового КМ включает следующие основные
стадии: виброуплотнение, прессование, спекание. Виброуплотнение с практической точки зрения обеспечивает стабильность пространственной структуры при прессовании порошковой насыпки, а с теоретической точки зрения приближает вид упаковки частиц к теоретической - кубической
[3].
Для оценки удельного сопротивления материал представим в виде кубической системы, содержащей N элементарных ячеек. Элементарная ячейка содержит либо частицу, либо пору (вакантное место). Общая пористость По в таком материале складывается из межчастичной пористости П' (объема пространства между контактирующими частицами) и пористости П, созданной вакантными местами. При прессовании материала межчастичная пористость практически исчезает (П' ^ 0) и при деформации частиц, близкой к максимальной, общая пористость образца в основном обусловлена вакантными местами: П0 « П.
Суть моделирования заключается в заполнении случайным образом кубической системы частицами двух компонентов, концентрация которых задается их объемными долями 21 и 12. Для задания координат частиц формируется ряд равномерно распределенных чисел на интервале [0, -3]. Первые 2— членов ряда являются координатами частиц первого компонента, последующие 2—3 членов - координатами частиц второго компонента, оставшиеся 2—3 членов - координатами пор, где 2з = П - объемная доля пор. Для обеспечения статистической устойчивости результатов моделирования число частиц на ребре ячейки N должно быть достаточно большим (не менее N = = 100).
С практической точки зрения при изготовлении КМ удобно смешивать навески порошков, задаваясь не объемным, а массовым соотношением компонентов. Связь между объемной 21 и массовой а! долями 1-го компонента в образце имеет вид
21 —
1 -23
1 -(1 -1//
где ^ и а?2 - плотность материала 1-го и 2-го компонента.
Расчет удельного сопротивления порошкового КМ
Эквивалентное удельное сопротивление КМ рассчитывается двумя методами, согласно которым материал разбивается эквипотенциальными поверхностями и трубками тока [4]. В одном случае КМ рассматривается как система последовательно соединенных слоев, содержащих парал-
Машиностроение и машиноведение
лельно соединенные частицы (контакты). Выражение для удельного сопротивления КМ в этом случае имеет вид
Рсл. = 7X (Рслл ) ,
1
■к.+А-,
Р1 Р2 '
¿■1 Рс
где рсл.г - сопротивление /-го слоя; Ь и I/ - число частиц 1-го и 2-го компонента в /-м слое соответственно; р1 и р2 - удельное сопротивление материала 1-го и 2-го компонента.
В другом случае КМ рассматривается как система параллельно соединенных столбцов, содержащих последовательно соединенные контакты. Выражение для удельного сопротивления КМ имеет вид
/к Г л \
Рс
1
ЧРст. 1 У
Рсто Р1 + ПР2) ,
■ 7 ?
где Рст.у - сопротивление у-го столбца; N - число проводящих цепочек; 5 - коэффициент извилистости столбца; ту и пу - число частиц 1-го и 2-го компонента в у-м столбце соответственно.
Число проводящих цепочек N = (Р1 где Р1 и р2 - доли 1-го и 2-го компонентов в слое, совпадающие с их объемными долями, так как при равномерно распределенных случайным образом частицах в материале их долевое содержание в объеме, слое и столбце можно считать в среднем одинаковым.
Коэффициент извилистости столбца 5 введен для построения эквивалентной электрической схемы столбца, содержащего хотя бы одну пору. В данной модели сопротивление такого столбца заменяется сопротивлением проводящей цепочки последовательно соединенных контактов большей длины (с большим числом контактов). Так как извилистость столбца обусловлена наличием пор, то коэффициент 5 можно рассчитать аналогично коэффициенту извилистости капилляра в пористом теле [5]:
5 ■ 1 + П/0,48, где П - пористость, созданная вакантными местами; 0,48 - пористость в кубической системе частиц, не содержащей вакантные места (поры).
В итоге удельное сопротивление КМ определяется как среднее геометрическое значение удельных сопротивлений, рассчитанных двумя методами,
Р'^л/рс
'Рс
(7)
Расчет по формуле (7) следует рассматривать как нижнюю оценку удельного сопротивления КМ, так как приведенные выше результаты справедливы для неокисленных частиц. Теоретические и экспериментальные исследования про-
цессов контактирования окисленных частиц порошкового материала [6, 7] показывают, что наличие поверхностных (окисных) пленок на поверхности контакта частиц увеличивает удельное сопротивление материала. Увеличение удельного сопротивления КМ с разрушенными поверхностными пленками на частицах может достигать 1,83 раза, то есть верхняя оценка удельного сопротивления КМ практически в 2 раза больше нижней оценки (7) при той же пористости материала:
Р'' ■ 1,83 р' . (8)
Верхняя и нижняя оценки задают диапазон возможных значений удельного сопротивления реального КМ при его изготовлении. Следует отметить, что для получения качественного конечного КМ уже на стадии прессования необходимо стремиться достичь верхней границы сопротивления.
Проверка адекватности модели КМ
Проверка адекватности описанной выше модели КМ осуществлялась сравнением рассчитанных на ее основе значений удельного сопротивления, во-первых, с величинами, рассчитанными по известным теоретическим зависимостям (1)-(6), во-вторых, с экспериментальными значениями для ряда конкретных КМ. В последнем случае использовались как литературные данные, так и результаты экспериментов авторов данной статьи.
Сравнение значений удельного сопротивления КМ, рассчитанных по выражениям (1)-(6) и на основании предложенной модели (нижняя оценка, формула (7)), представлено на рис. 1.
Графики приведены для двух случаев: сопротивления компонентов КМ отличаются в Ь = 5 и 10 раз. Наилучшее совпадение результатов моделирования при любых значениях Ь наблюдается с формулой Лихтенеккера (5). Расхождение результатов моделирования с расчетными значениями других авторов (формулы (1)-(4) и (6)) при Ь = 5 не превышает 15 %, при Ь = 10 результаты значительно отличаются.
Сравнение значений удельного
сопротивления КМ, рассчитанных на основании формул (7) и (8) (нижняя и верхняя оценка), с экспериментальными значениями из работы [8] представлено в табл. 1 для компактного материала.
Для серебросодержащих образцов экспериментальные значения близки к нижней теоретической границе удельного сопротивления. Этот факт можно объяснить отсутствием поверхностных пленок на площадках контакта
частиц, то есть контакт частиц носит металлический характер.
Для медьсодержащих образцов
экспериментальные данные лежат в диапазоне расчетных значений для неокисленных и окисленных частиц. Такое расположение можно объяснить наличием на частицах поверхностных пленок, которые, по-видимому, в процессе спекания КМ не полностью удалились из зоны контакта частиц.
<и
о &
3 3
о К
о
¡5 о
1
1, 2, " 4, 6
5,7
3
О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Объемная доля наиболее проводящего компонента
а
<и
10 9
<и
о &
о о <и о К
О
\ \ „ 1, 2, 6
5,7" V4 V / \\ И
зЛ л \
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Объемная доля наиболее проводящего компонента
б
Рис. 1. Сравнение теоретических значений удельного сопротивления: а - Ь = 5; б - Ь = 10. Номера кривых соответствуют номерам расчетных формул
Т а б л и ц а 1 Сравнение теоретических и экспериментальных значений
Материал Р2, % р, 10-8 Ом-м
Эксперимент [8] Расчетная модель
AgNi 60 3,2 3,1.5,5
70 2,8 2,7.4,8
AgMo 40 3,2 3,2.5,7
50 3,0 2,9.5,2
70 2,3 2,3.4,1
90 2,0 1,8.3,2
AgW 20 4,0 3,7.6,7
40 3,0 2,9.5,2
70 2,3 2,1.3,8
СыШ 15 5,5 4,4.7,7
20 5,0 3,7.6,7
80 2,4 2,0.3,6
Для экспериментальной проверки результатов моделирования пористого материала были проведены измерения удельного сопротивления специально изготовленных образцов КМ медь-хром, пористость которых лежит в интервале 0,15...0,20. Образцы получены прессованием смеси порошков меди и хрома под давлением 6,5 т/см2 (650 МПа). Прессовки спекались в вакууме 1 час при температуре 800 или 1100 °С в зависимости от содержания хрома.
Сравнение значений удельного сопротивления КМ медь-хром, рассчитанных на основании модели, с экспериментальными значениями представлено на рис. 2. Там же приведены экспериментальные значения удельного сопротивления материала медь-хром, взятые из литературы [9]. Образцы, исследованные в работе [9], получены в результате прессования при различных давлениях (600.800 МПа) и спекания в вакууме в диапазоне температур 1000.1050 °С. Их пористость лежит в интервале 0,03.0,14.
Все экспериментальные данные лежат в диапазоне расчетных значений удельного сопротивления материала. Такое расположение экспериментальных точек подтверждает возможности предложенной модели порошкового КМ в случае умеренного различия удельного сопротивления компонентов материала (в данном случае удельные сопротивления хрома и меди отличаются друг от друга меньше чем в 2 раза).
Машиностроение и машиноведение
р, 10 Омм
20
15
0
1 J 1 I 1 2 / i 1 1 / 1 /
: */ 1 / 1 / 1 / 1 /
1 у^б у JF 1 Г--1 Г 1 1 jfH'
0
1
0.2 0.4 0.6 0.8 Объемная доля хрома Рис. 2. Удельное сопротивление КМ медь-хром в зависимости от состава и пористости материала: кривая 1 - П = 0; 2 - П = 0,2; о - эксперимент авторов; • - эксперимент [9]
Сравнение результатов моделирования КМ в случае сильно отличающихся сопротивлений компонентов приведено на рис. 3. Экспериментальные значения удельного сопротивления графито-медного материала заимствованы из литературы [10].
250 200 150 100 50
0
10 Омм
з ■ V-.
1 \ 1 1 1 у Ь 1 1 Г 1 - б 1, 2
1 1 V3 \ А
д гХ V4
0
0.2 0.4 0.6 0.3 1 Объемная доля меди Рис. 3. Удельное сопротивление КМ графит-медь в зависимости от состава материала. Номера кривых соответствуют номерам расчетных формул; о - эксперимент [10]
Из анализа экспериментальных данных следует, что значительное снижение удельного сопротивления КМ наблюдается с увеличением объемного содержания меди до 10...15 %. При дальнейшем увеличении содержания меди
сопротивление КМ снижается в меньшей степени. Очевидно, что кривая 7 (рис. 3), соответствующая расчетам согласно предложенной модели, хорошо подтверждается экспериментальной зависимости удельного сопротивления данного КМ от объемной доли меди.
Заключение
Описанная модель порошкового КМ позволяет, наряду с концентрацией компонентов, учесть влияние пористости материала и состояния поверхности контакта отдельных частиц на его удельное сопротивление. Возможности моделирования подтверждены экспериментальными данными по измерению удельного сопротивления КМ, состоящих из компонентов с различным соотношением удельных сопротивлений. Изложенная методика расчета удельного сопротивления КМ может быть использована, в частности, для контроля качества КМ в процессе его изготовления [11]. Раннее выявление некачественного полуфабриката обеспечивает надежность и безопасность работы электрооборудования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Эдвабник В.Г. К теории обобщенной проводимости смесей // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-2. URL : http://www.science-education.ru/ru/article/view7id =19855 (дата обращения: 03.07.2016).
2. Дульнев Г.Н. Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов : справочник. Л. : Энергия, Ленингр. отд-ние, 1974. 264 с.
3. Измайлов В.В., Новоселова М.В. О значениях координационного числа для дисперсного металлического материала // Механика и физика фрикционного контакта : межвуз. сб. науч. тр. Тверь : Изд-во ТГТУ, 2001. С. 75-78.
4. Иоссель Ю.Я., Качанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Л. : Энергоато-миздат, 1981. 228 с.
5. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М. : Химия, 1982. 400 с.
6. Измайлов В.В., Новоселова М.В. Моделирование механических и электрических процессов при консолидации дисперсных материалов. Сообщение 2. Теоретическая модель для расчета электросопротивления деформированной частицы дисперсного материала // Материалы. Технологии. Инструменты. 2003. Т. 8. № 1. С. 11-16.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
7. Гусев А.Ф., Измайлов В.В., Новоселова М.В. Моделирование процессов контактирования гранул порошкового электроконтактного материала для прогнозирования его свойств // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51). С. 93-98.
8. Горячева З.В. Спеченные материалы, их свойства и применение. М. : Металлургия, 1979. 72 с.
9. Пименова Н.В. Получение и исследование свойств композиционных материалов на основе
меди : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2009. 16 с.
10. Гершман И.С. Разработка износостойких материалов с помощью методов неравновесной термодинамики на примере скользящих электрических контактов : дис. ... доктора техн. наук. Москва, 2006. 234 с.
11. Роман О.В., Скороход В.В., Фридман Г.Р. Ультразвуковой и резистометрический контроль в порошковой металлургии. Мн. : Высш. шк., 1989. 182 с.
УДК 621.982.5
Минаев Николай Владимирович,
инженер кафедры ТОМП, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. +79642150149, e-mail: minaevhb@yandex.ru Тихонов Александр Геннадьевич, магистрант,
Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. +79041423252, e-mail: tihonovalex90@mail.ru
ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ КОНСТРУКТИВНО ПОДОБНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ
ПОСЛЕ РАСКАТКИ РОЛИКАМИ
N. V. Minaev, A G. Tikhonov
PROBLEMS OF RESIDUAL STRESS MEASUREMENT ON SAMPLES OF STRUCTURALLY SIMILAR ELEMENTS OF ALUMINUM PARTS AFTER ROLLING BY ROLLERS
Аннотация. Рассмотрен способ определения технологических остаточных напряжений (ТОН) механическим методом (удаления слоев). Исследовались образцы конструктивных элементов фрезерованной детали после правки и формообразования с помощью раскатки роликами. Пошагово описана методика получения элементарных образцов-полосок из обработанных исходных образцов, а также дальнейшая методика измерения ТОН на установке УДИОН-2. Основной задачей изучения распределения остаточных напряжений в материале по глубине после раскатки роликами является определение режимов обработки, при которых выполняется пересечение зоны деформирования и средней плоскости материала. Точность результатов ОН после раскатки роликами по сравнению с обработкой дробью имеет ряд изъянов. Основным является неоднородность покрытия исследуемой поверхности образца-пластины по ширине отпечатка ролика. Это связано с недостатками конструкций существующих раскатных устройств. Также разнятся отпечатки от роликов на одной установке, это связано с тем, что один из роликов является приводным, а на другой возложена функция создания сдавливающего усилия. Это приводит к необходимости изучения залегания ОН с обеих сторон, что увеличивает трудоемкость процесса. В процессе травления не достигнута глубина, когда значения остаточных напряжений равны нулю, т. е. момент полного их высвобождения. Это может быть достигнуто увеличением толщины образца-полоски и, соответственно, времени его травления для большего удаления деформированного слоя. Определение ОН в образцах-полосках на установке УДИОН-2 проводилось согласно методике определения остаточных напряжений в металлических сплавах механическим методом. Показаны результаты распределения по глубине остаточных напряжений после раскатки роликами. На основе проведенного исследования был выявлен ряд проблем, связанных с данным способом обработки, и предложены пути решения.
Ключевые слова: комплексная технология формообразования панелей, правка деталей, технологические остаточные напряжения, раскатка роликами, напряженно-деформированное состояние.
Abstract. The method of determination of technological residual stresses (TRS) by mechanical method (removal of the layers) is considered. Specimens of the structural elements of the machined parts after straightening and forming using rolling by rollers were studied. Procedure for the preparation of elementary samples of the strips from the processed initial samples, and a further method of measuring the TRS on the setting ODION-2 are described step by step. The main objective of the study of the distribution of residual stresses in the material in depth after rolling by rollers is the determination of the machining modes, in which there is the intersection of zone of deformation and the mid-plane of the material. The accuracy of the RS results after rolling by rollers compared with shot blasting has a number of flaws. The main one is the heterogeneity of coating the surface of the sample plate across the width of the roller print. This is due to the disadvantages of existing constructions of roller devices. Also the prints from the rollers on one system vary, due to the fact that one of the rollers is driven and the other is assigned with the function of creating a compressive stress. This leads to the necessity to study the occurrence of RS from both sides, which increases the complexity of the process. In the etching process the depth where the value of residual stress is zero, i.e. the moment of their release, is not reached. This can be achieved by increasing the thickness of the sample strips and, accordingly, the time of the etching for greater removal of the deformed layer. The determination of RS in the sample strips on the installation of ODION-2 was carried out according to the method of determining residual stresses in metal alloys by mechanical method. The results of the distribution with depth of residual stresses after rolling by rollers is shown. On the basis of the study a number of problems associated with the processing method and the solutions suggested are.
