CC BY
10
СОЗДАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОЦЕССА ПРОШИВКИ-ПРЕССОВАНИЯ
Кохан Лев Соломонович, д.т.н., профессор Морозов Юрий Анатольевич, к.т.н., доцент Шульгин Александр Васильевич, к.т.н., доцент Московский государственный машиностроительный университет
I I ЩШВш I I I
Композитные материалы сегодня используются во многих отраслях производства, начиная от предметов быта и заканчивая созданием изделий, способных работать в экстремальных условиях повышенных температур, нагрузок, воздействия агрессивных сред и пр.
Такую многогранность эксплуатационных свойств определяют компоненты композита, характеризуемые своими физическими и механическими свойствами. Результатом является создание новых материалов, обладающих особыми, не присущими природным материалам свойствами, необходимыми для конкретной области применения [1].
Следует также отметить возможность получения практически готовых изделий требуемой конфигурации с последующими незначительными операциями калибровки или доводки с целью дополнительного упрочнения материала или формирования дополнительных элементов изделия, которые целесообразно сформировать методами обработки давлением.
С этой целью рассмотрим процесс комбинированной прошивки-прессования сплошной заготовки (рис. 1, а).
скольжения при внедрении прошивня в полупространство (б)
Напряжение деформирования в процессе прошивки устанавливаем из условия равновесия радиальных и тангенциальных напряжений при осадке толстостенной трубы равномерным давлением [2]
й <г <г — СГд
йг ~ Я .
Решением уравнения будет
-r = R ln C _ - = ln2R
R = —2 получаем -r = 0 и C = 2/D откуда — П D
При ' получаем г и откуда
Максимальные каса уравнение равновесия
т = — 0 5
Максимальные касательные напряжения под пуансоном ' , тогда
й —г 2 т п
-- +-= 0
йг Н — к^
Соответственно при условии пластичности
а\ог — —г = 0
получим
- Я + С
—г = —г-\ + С
ai
[H - hm )
Приравняем напряжения по общей границе
й1б Б
С +-г—-. = 1,0 + 1п-
2 а1 [Н — к1б ) й1б
откуда нормальное напряжение и усилие прошивки
Т r
— =
-г d¡а - R D 0,5
r-— = 1,0 +-Y-1 + ln — P = f 2x-rRdr
—T 2 a1 \H - hVS ) R и 0 .
П ^й й /4
После деления на площадь под прошивнем получим среднее
напряжение прошивки
_ —б й1б , Б
—б =-= 1,0 +--г—-1 + 1п-
—т 6 а1Н — к1б ) й1б (1)
Рассмотрим еще один метод определения напряжения прошивки с использованием метода линий скольжения.
Так как все рассуждения, касающиеся соотношений напряжений на торцовой поверхности прошивня и на свободной поверхности, останутся без изменений, напряжение прошивки можно определить сразу, по формуле
- —б 1 Л
—б =-= 1,0 + ю
—т
Для начала внедрения угол ю Ж2, поэтому
_ ж
—1б = 1,0 + ^ ~ 2,57 —т
По мере внедрения плоского цилиндрического прошивня в полупространство, напряжение деформирования увеличивается до тех пор, когда поле линий скольжения примет вид, показанный на рис. 1, б [3]. Угол по-
ворота линий скольжения здесь на 90 град больше, чем в начале внедрения
ю-л, тогда
- 1,0 + л « 3,14 сгт а 15 -2,41о-т
В среднем давление прошивки .
Проиллюстрируем данный процесс примером горячей прошивки изделия диаметром В - 60 мм и н - 30 мм на высоту 15 мм при диаметре прошиваемой полости ^15 30 мм с коэффициентом контактного трения ^ — 0,35 и одновременном заполнении материалом полости штампа диаметром ^ — 25 мм.
Материалом принимается 2-компонентный композит «железо-медь» с
концентрациями К^е - 0,6 и Кси - 0,4 при плотности скомпактированной
о0 ~ 0 6
и спеченной заготовки ' .
Решение производим с применением уравнения равновесия для пористых тел.
По содержанию компонентов устанавливаем константу пористости, определяемую из условия пластичности Губера-Мизеса [4]
ах -а1 °2 -а0°т,
где а1 - константа пористости композита, устанавливаемая связью высотных и продольных напряжений и зависящая от материала заготовки, температурных условий и плотности.
Для многокомпонентных систем, константа пористости будет оцениваться концентрацией соответствующих компонентов. Для исследуемых металлических порошков константы пористости [5-7]
- железо (- 0,588);
- медь (а1Си -0,708).
Таким образом, константа пористости многокомпонентной системы г
а1 - Еаг К - а1Ре КРе + а1Си КСи - 0,588 • 0,6 + 0,708 • 0,4 - 0,636 1 .
Относительное напряжение прошивки (1)
а1б -1,0 +-т^15-ч + 1п— -1,0 +-30-г + 1п—— - 2,22 ат
15 6 а1 (Я - И1б ) 6 • 0,636 (30 -15) 30 1
Напряжение прессования отростка вследствие прошивки устанавливается с использованием метода баланса работ деформации, трения и прессования. Так, работа деформации [8-10]
12 ^2 !а рх 10,75 • 0,25-92,041
где £ - деформация уплотнения композита, оцениваемая изменением плотности засыпки Р0 и изделия Р (Р = 0,75 0,82). При заданной плотности изделия Р1 = 0,8, деформация уплотнения композита
р-р = 08-06 = Р 0,8 .
Работа трения и прессования отростка
Лдб = /т /2 = 0,5ж—/2 = 19,63/2
?
= I = = 85,22/
4 ^ 4 5,76
где /т = 0,5 - коэффициент контактного трения при сдвиге;
= Б 2 / й 2
' - коэффициент вытяжки
ц = Б 2/ й2 = 602/252 = 5,76
С полученными результатами, напряжение прессования цилиндрического отростка
— Да + Аоб 92,04 / +19,63/2 ( Л
—1 =—д-—т = 8522/-—т П1,08 + 0,231 К
П —1-б = — = 2,41—т
Приравнивая напряжения прошивки и прессования ,
длина прессуемого отростка
/ =—, —1.°8 = 2М —1,08 = 5 / = 5,78 = 023
0,23 0,23 мм и й 25
' ' мм и " .
Приравнивая объем и плотность заготовки и изделия Р0 = Р1, определяем деформацию заготовки
£ =
V
1,0- Fo Я>
V Р1 V
1,0 -_8482^М = 0,423
77518,8 0,8
мм ;
где , ^ - объем скомпактированной заготовки и объем изделия V = = жБ2 Н = ж602 30 = 84823
0 = 4 (1,0 — £(1,0 — £)= 4 (1,0 — в)2 = 4 (1,0 — в)2 "(1,0 — £)2 мм3
(221 2 р — ^ )н(н — / =
1 4 4 у 1б ; 4
= ж(60 — 302 и + Ж321 (30 —15) + ^72 = 77518,811 3.
4 4 4
Исходя из найденной деформации, начальная высота заготовки
к
Н
30
0
1,0 - £ 1,0 - 0,423
52,0
мм.
Радиальная деформация и диаметр заготовки при свободной осадке
1,0 1,0
1,0
Р
Р0
(1,0 -е)
0,8 06
1,0 0,14
(1,0 - 0,423)
В' - В (1,0 + ег )= 60 (1,0 + 0,14)- 68,4 мм. Тогда относительное усилие осадки-прессования [11]
Р-л
4
- л
- ~4
(в'2 + ¿-2б )а1б + (В'2 + с12)а (68,4 2 + 302) 2,22 + (
68,42 + 252
) 2,41.
19765,3 а т
Абсолютные силовые параметры определяем через плотность компонентов композита. Так, при связи плотностей железа и меди [12]
РСи -1,898 рРе - 0,4,
Р1 - 0,8
и плотности изделия
Р¥е
устанавливаем плотность железа
Р1 + 0,4 К0>
и
0,8 + 0,4 • 0,4
- 0,71
КРе +1,898 КСи 0,6 +1,898 • 0,4
Плотность другого компонента композита - меди
рСи - 1,898 рЕе - 0,4 - 1,898 • 0,71 - 0,4 - 0,94
Принимая во внимание коэффициенты упрочнения железа и меди [4] кРе -1,0 +1,74 е -1,0 +1,74 • 0,423 - 1,74 .
,0,63
0,63
кСи - 1,0 +1,5 е ' - 1,0 +1,5 • 0,423 ' - 1,87
сопротивление пластической деформации отдельных слоев многокомпонентного композита
. 3,0
ат Ре -аРе Рре кре - 100 • 0,713,0 • 1,74 - 62,3
атСи - аСи рСС кСи - 40 • 0,943,26 • 1,87 - 61,1
МПа;
МПа.
где ат - сопротивление пластической деформации. При горячем процессе деформирования
а¥е -100 МПа; аСи - 40 МПа, п - показатель пористости металлического порошка [4]
пЕе - 3,0. пСи - 3,26 ?
Сопротивление пластической деформации композита
ат - ат ЕеКре + ат Си КСи - 62,3 • 0,6 + 61,1 • 0,4 - 61,8
МПа.
Фактическое усилие осадки-прессования
P = p aT = ( 19765,3 • 61,8) 10"6 = 1,22
МН.
Список литературы
1. Кохан Л. С., Морозов Ю.А. Композит или сплав? // Проблемы повышения качества подготовки специалистов в области художественной обработки металлов: Тезисы докладов II Всероссийской межвузовской научно-практической конференции. - М.: МГВМИ, 2004. - С. 147-150.
2. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. - M.: Машиностроение, 1977. - 423 с.
3. Томленов А. Д. Теория пластического деформирования металлов. - М.: Металлургия, 1972. - 408 с.
4. Лукашкин Н.Д., Кохан Л.С., Роберов И.Г. Теория обработки давлением скомпак-тированных спеченных металлических порошков. - М.: МГВМИ, 2005. - 312 с.
5. Кохан Л. С., Шульгин А.В. Теоретические основы определения сопротивления пластической деформации псевдосплавов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений: обзорно-аналитический и научно-технический журнал. - М.: РУДН, 2007. - вып. 2. - С. 57-59.
6. Кохан Л. С., Шульгин А.В., Новожилова И. С. Расчетная модель для определения физико-механических свойств композиционных материалов на основе металлических порошков // Технология металлов. - М.: Наука и технологии, 2012. - вып. 9. - С. 26-28.
7. Кохан Л.С., Пунин В.И., Шульгин А.В., Морозов Ю.А. Производство гнутых слоистых коррозионно-стойких профилей // Заготовительные производства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 2014. - №2. - С. 35-40.
8. Кохан Л.С., Шульгин А.В. Расчет давления обратного выдавливания спеченных заготовок из медного порошка ПМС-1 методом работ // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений: обзорно-аналитический и научно-технический журнал. - М.: РУДН, 2006. - вып. 1. - С. 59-62.
9. Кохан Л.С., Морозов Ю.А., Шульгин А.В. Прессование профилей ступенчатого типа из порошковых материалов // Актуальные вопросы науки, технологии и производства: I Международная научно-практическая конференция (26-27 сентября 2014 г). -Санкт-Петербург: Международный союз ученых "Наука. Технологии. Производство", 2014. - С. 55-58.
10. Кохан Л.С., Морозов Ю.А., Шульгин А.В., Чернобаев А.В. Двустороннее прессование сплошных отростков из композитных заготовок // Новые технологии и проблемы технических наук / Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции (6 ноября 2014 г.). - Красноярск: ИЦРОН, 2014. - С. 26-30.
11. Кохан Л.С., Алдунин А.В., Шульгин А.В., Белелюбский Б.Ф., Морозов Ю.А. Прессование слоистых кольцевых изделий из композиционного материала на основе порошков железо-медь-хром // Технология металлов. 2013. № 11. С. 21-25.
12. Потехина Е. А., Крутина Е. В. Комбинированный процесс прямого и обратного прессования изделий с цилиндрическими сплошным и полым отростком // актуальные проблемы технических наук в России и за рубежом: Сборник статей Международной научно-практической конференции. г. Уфа, Республика Башкортостан, 2014. - С. 53-56.
