Влияние методов волочения на функциональные характеристики алюминиевых трубок прецизионной точности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 661.7:519.25:539.3

влияние методов волочения на функциональные характеристики алюминиевых трубок прецизионной точности

Изучено влияние волочения алюминиевых трубок прецизионной точности в безоправочном режиме, а также на закрепленной и подвижной оправках, на их геометрические, прочностные и упругие характеристики. Для обеспечения заданного уровня функциональных характеристик трубок данного типа предложен подход, основанный на статистическом описании указанных характеристик с оценкой степени их деформационной анизотропии.

Ключевые слова: методы волочения, алюминиевые трубки прецизионной точности, функциональные характеристики, деформационная анизотропия.

Воденников с. А., скачков В. А., Иванов В. И., Воденникова о. с.

1. Введение

Современные конструктивно-технологические решения теплообменных и газодинамических установок предполагают использование алюминиевых трубок прецизионной точности (по толщине стенок и искривлению осевой линии) с высокими прочностными и упругими характеристиками для эксплуатации в химически активных средах. Технологические методы обеспечения заданных требований достаточно сложны и базируются на статистическом описании характеристик, реализуемых после каждого технологического передела производства трубок. Возможность применения алюминиевых трубок в условиях агрессивных сред предполагает их поверхностную обработку с получением плотных коррозионностойких покрытий.

2. Анализ литературных данных

Одной из основных характеристик заготовок алюминиевых трубок является толщина стенки, которая определяет однородность жесткости трубок и их деформационное поведение в процессе волочения.

В работах [1-3] изложены методы расчета полей деформаций и напряжений в процессе деформационной обработки металлов и их сплавов. Однако в данных работах не приводятся методики оценки деформационной анизотропии и формирования геометрической точности труб в процессе их волочения. В работах [4, 5] предложена методика оценки формирования анизотропии упругих и прочностных характеристик в процессе сложного деформирования структурно неоднородных сред. Формирование деформационной анизотропии обусловлено явлением текстурирования металлов в процессе их обработки давлением [6].

Методы оценки статистических параметров модулей упругости и пределов прочности металлов и сплавов предложены в работе [7].

Для алюминиевых сплавов наиболее доступными, обладающими высокими коррозионностойки-ми свойствами, являются оксидные и фосфатные покрытия [8].

3. Постановка задачи

Для обеспечения упругих, прочностных и геометрических требований алюминиевых трубок необходимо построение статистических характеристик исходных заготовок, после волочения их в безо-правочном режиме, на цилиндрических закрепленной и подвижной оправках, а также оценка степени деформационной анизотропии упругих и прочностных характеристик. Дальнейшее повышение механических характеристик и коррозионной стойкости предполагает формирование защитно-упрочняющихся покрытий.

4. Методика расчета статистических параметров

Проведенные исследования позволили установить, что толщину трубок h можно представить в виде соотношения:

КО=ц (-)+ц (-), (1)

где - — текущая координата по длине трубки; Ц (-) — периодическая функция; Ц (-) — случайная функция с нулевым средним, удовлетворяющая условиям эргодичности.

Периодическая компонента Ц (-) является гармонической и, в свою очередь, может быть представлена в виде [9]:

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/2(17], 2014, © Воденников С. А., Скачков В. А.,

Иванов В. И., Воденникова □. С.

ISSN 222Б-3780

МАШИНОСТРОЕНИЕ

J

hß (£) = A ■ cos(ra-1 + y),

(2)

где А, ю, у — детерминированная амплитуда, круговая частота и фаза изменения толщины трубок соответственно.

Круговая частота ю в уравнении (2) задается соотношением:

2п

ю = -

A = 0,121 мм;Г = 96 мм;

Dh = 0,5876 ■ 10-3; а= 1,193; у = 0.

A = 0,012 мм;Г = 104 мм;

Dh = 0,0066 ■ 10-3; а= 0,798;^ = 0.

Волочение на цилиндрической подвижной оправке с вытяжкой 1,34 на третьем переходе обеспечивает выполнение значений параметров формул в следующих пределах:

A = 0,011 мм;Г = 104 мм;

Dh = 0,0057 ■ 10-3; а= 0,714;^ = 0.

(7)

(3)

где Т — период изменения толщины.

Случайная компонента ^ (£) характеризуется корреляционной функцией [9, 10]:

(4)

рас-по-

^ (Ii) = • ехр(-а2 • Ii),

где Б — дисперсия толщины стенки;^ I стояние до рассматриваемой точки I; а ложительная константа.

5. Экспериментальная оценка

функциональных характеристик

Для оценки статистических характеристик использовали представительные выборки толщины алюминиевых трубок, как по длине, так и по их количеству. Толщину стенок измеряли с точностью 0,001 мм по окружной координате на каждой фиксированной длине Iк.

Статистическая обработка результатов полученных измерений для заготовок алюминиевых трубок диаметром 8,0 мм из сплава Д16Т позволила установить следующие значения параметров функций в формулах (2) и (4):

А = 0,041 мм;Т = 80 мм;

Бк = 0,2676 • 10-3; а= 2,839;^ = 0. (5)

При безоправочном волочении с вытяжкой 1,1 на первом переходе параметры формул (2) и (4) изменяются до значений:

Из данных (5)-(8) следует, что безоправочное волочение увеличивает разнотолщенность трубок, а оправочное волочение — снижает. Волочение на подвижной оправке обеспечивает снижение разброса величин толщины стенки по сравнению с волочением на закрепленной оправке до 6 %. Однако фактическая стабилизация толщины стенки трубок приводит к искривлению осевой линии, что обусловлено несимметричностью зоны деформирования в фильере [1].

Для восстановления прямолинейности оси трубки необходимо ее обратная пластическая деформация. База обратной деформации должна соответствовать периоду Т = 104 мм, а уровень деформации — соотношению:

£обр = "

1,31(Dh )0,5 A

(9)

(6)

Волочение на цилиндрической закрепленной оправке с вытяжкой 1,27 на втором переходе обеспечивает выполнение параметров функций (2)-(4) в виде:

В процессе волочения формируется деформационная анизотропия структуры алюминиевого сплава трубки, степень которой определяется методами, изложенными в работе [6].

Прогнозирование упругих и прочностных характеристик алюминиевых трубок в условиях образования структурной анизотропии возможно с применением методов, представленных в работах [4, 5].

Количественная характеристика кристаллографических структур базируется на аналитическом оценивании кристаллографических осей кристаллов относительно лабораторных осей, связанных с анизотропией текстурированной трубки.

Наиболее широко используется описание таких ориентаций с помощью углов Эйлера фь Ф, ф2, которые задают поворот кристаллографических осей х1, х2 и х3 относительно лабораторных.

В каждом зерне текстурированной трубки положение кристаллографических осей является случайным. Поэтому углы Эйлера являются также случайными и характеризуются совместной плотностью распределения f (ф4, Ф, ф2), которая задается в области изменения углов 0<ф4 <2п, 0<Ф<п, 0 <ф2 < 2п.

Для нетекстурированного сплава распределение углов Эйлера определяется:

(7) /(ф1,Ф,ф2 ) =

1

8п2

■ sin Ф.

(10)

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 3/2(17], 2014

МАШИНОСТРОЕНИЕ

ISSN 222Б-3780

Текстура приводит к изменению плотности распределения углов Эйлера. В этом случае формула (10) может быть записана в виде:

f (ji, Ф, j 2 ) = T (ji, Ф, j2 )•

1

8п2

• sin Ф,

(11)

где Т(ф1,Ф,ф2) — текстурная функция [6].

Экспериментальная оценка влияния процессов волочения на упругие характеристики алюминиевых трубок из сплава Д16Т представлена в табл. 1.

таблица 1

Модули упругости Е алюминиевых трубок по переходам волочения

Вид обработки Среднее значение E, ГПа Коэффициент вариации I, %

Исходная заготовка 3,44 6,10

Волочение на закрепленной оправке с вытяжкой 1,27 10,51 3,30

Волочение на неподвижной оправке с вытяжкой 1,34 11,13 2,30

Поверхностное упрочнение и повышение химической стойкости реализуется методами электролитического окисления в электролите, составленном из органических кислот [8]. Для уплотнения оксидного покрытия применялся процесс эмато-лирования.

Полученная толщина покрытия трубок составляла 15...50 мкм. Модуль упругости оксидированного слоя составляет 14.15 ГПа. Толщина покрытия по отношению к толщине стенки алюминиевых трубок составляет 10.15 %.

С целью оценки влияния поверхностного покрытия выполнена оценка прогиба трубок при трехточечном изгибе на длине 560 мм под действием усилия 8,8 Н. В табл. 2 представлены значения прогибов трубок с покрытием и без него после трехпереходной деформационной обработки.

таблица 2

Прогиб трубок при трехточечной схеме нагружения

Внешний диаметр, мм Средняя толщина стенки, мм Толщина оксидного покрытия, мм Прогиб, мм

5,350 0,360 0 13,06

5,370 0,383 0,025 12,61

6,840 0,420 0 10,50

6,850 0,441 0,030 3,60

6. Выводы

Выполнена оценка влияния методов волочения на геометрические, упругие и текстурные характеристики алюминиевых трубок. Установлено, что волочение на подвижной оправке снижает разброс значений модуля упругости по сравнению с волочением на закрепленной оправке до 70 %. Рассмотрено влияние оксидного эматолирован-ного покрытия на жесткость при трехточечном изгибе трубок.

Литература

1. Перлин, И. Л. Теория волочения [Текст] / И. Л. Перлин, М. З. Ерманок. — М.: Металлургия, 1971. — 449 с.

2. Тарновский, И. Я. Теория обработки металлов давлением [Текст] / И. Я. Тарновский, А. А. Поз-деев. — М.: Металлургия, 1963. — 431 с.

3. Гун, Г. Я. Пластическое формоизменение металлов [Текст] / Г. Я. Гун. — М.: Металлургия, 1968. — 521 с.

4. Скачков, В. А. Деформационная анизотропия и накопление повреждений в композитах при сложном нагружении [Текст] / В. А. Скачков // Механика неоднородных структур. — Львов: ЛПИ, 1987. — С. 257.

5. Соколкин, Ю. В. Исследование процессов деформирования и разрушения композитных материалов и конструкций при сложном напряженном состоянии [Текст] / Ю. В. Соколкин, В. А. Скачков, М. Г. Танкеева, В. В. Леонтьев // Механика конструкций из композиционных материалов. — 1984. — С. 97-101.

6. Адамеску, Р. А. Анизотропия физических свойств металлов [Текст] / Р. А. Адамеску, П. В. Гельд, Е. А. Митюшов. — М.: Металлургия, 1985. — 235 с.

7. Богачев, И. Н. Введение в статистическое металловедение [Текст] / И. Н. Богачев, А. А. Вайн-штейн, С. Д. Волков. — М.: Металлургия, 1972. — 216 с.

8. Грилихес, С. Я. Оксидные и фосфатные покрытия металлов [Текст] / С. Я. Грилихес. — Л.: Машиностроение, 1985. — 95 с.

9. Ивахненко, А. Г. Предсказание случайных процессов [Текст] / А. Г. Ивахненко, В. Г. Лапа. — Киев: Наука, 1971. — 416 с.

10. Колмогоров, А. Н. Теория вероятностей и математическая статистика [Текст] / А. Н. Колмогоров. — М.: Наука, 1986. — 535 с.

вплив метод1в волоч1ння на функщональн1 характеристики АЛЮМШ1СВИХ трубок прецизшно! точност1

Из анализа данных табл. 2 следует, что оксид- Вивчено вплив волочшня алюмшевих трубок ное эматолированное покрытие снижает величину прецизшно! точност шд час режиму без оправ-прогиба в среднем от 3 до 8 %. ки, а також на закршленш та рухомш оправках,

С

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/2(17], 2014

Б

ISSN 222Б-3780

МАШИНОСТРОЕНИЕ

на ix геометричш, мiцнiстнi та пружнi характеристики. Для забезпечення заданого рiвня функ-цiональних характеристик трубок даного типу запропоновано шдхщ, що засновано на статис-тичному опису зазначених характеристик шсля кожного технологiчного передiлу виробництва таких трубок з оцшкою ступеню 1х деформацшно! ашзотропи.

Ключов1 слова: методи волочiння, алюмiнieвi трубки прецизшно'1 точностi, функцiональнi характеристики, деформацшна анiзотропiя.

Воденников Сергей Анатольевич, доктор технических наук, профессор, кафедра металлургии черных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, е-mail: vodennikov_dom@mail.ru.

Скачков Виктор Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургии черных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, е-mail: Skachkov48@mail.ru.

Иванов Виктор Ильич, старший научный сотрудник, кафедра металлургии черных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, е-mail: colourmet@zgia.zp.ua.

Воденникова Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургии черных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, e-mail: vodennikov dom@mail.ru

Воденшков Сергт Анатолтович, доктор техшчних наук, професор, кафедра металурги чорних металъв, Запорiзька державна тженерна академгя, Украгна. Скачков Вгктор Олекстович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра металурги чорних металъв, Запорпька державна тженерна академгя, Украгна.

1ванов Вгктор 1ллгч, старший науковий ствро&тник, кафедра металурги чорних метатв, Запорзька державна тженерна академш, Украгна.

Воденткова Оксана Сергпвна, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра металурги чорних металъв, Запорпька державна тженерна академгя, Украгна.

Vodennikov Sergii, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine, e-mail: vodennikov_dom@mail.ru. Skachkov Victor, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine, e-mail: Skachkov48@mail.ru.

Ivanov Victor, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine, e-mail: colourmet@zgia.zp.ua.

Vodennikova Oksana, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine, e-mail: vodennikov_dom@mail.ru

УДК 621.891 (045)

Р0ЗР0БКА ГРАД1ЕНТННХ ПОКРНТТ1В ДЛЯ НАКЛАДОК ГАЛЬМШНИХ ПРНСТР01В

В роботг запропоновано використовувати композицшш матергали, в основу створення яких покладено принцип додатного градгента механгчних властивостей. Виготовлено та проведено триботехнгчнг випробування таких композицшних матергалгв. У якостг матриц запропоновано використовувати композицшний евтектичний сплав на основг сталг 12Х18Н9Т з урахуванням теплофгзичних характеристик змщнювальних фаз. Обгрунтовано проведення поверхневог ком-плексног лазерног обробки поверхнг з метою покращення структури та триботехнгчних властивостей поверхневого шару.

Клпчов1 слова: гальмгвнг пристрог, евтектичний сплав, сталь, Т1В2, УС, теплофгзичнг власти-востг, лазерна обробка.

Кшдрачук М. В., TicoB 0. В., Стебелецька Н. М.

1. Вступ

Фрикцшш матерiали застосовують у фрикцшних динамiчних пристроях, до яких належать гальма, накладки, спещальш опори ковзання, муфти, варiа-тори. Щ пристро! призначеш для розгону (муфти зчеплення) i зупинки (гальма, ковзш опори ковзання) транспортних машин, а також для приводiв техно-лопчного устаткування ^зш фрикцшш муфти i ре-гулятори) та передавання i змшення напряму руху.

Фрикцшш матерiали працюють у важких умовах зношення за високих питомих навантажень (до 8 МПа), швидкостей ковзання (до 50 м/с) i температур, що можуть миттево пщвищуватися до температури 1200 °С.

Мехашчна енерпя рухомих елеменпв у pa3i гальмування переходить у теплову, а поим роз-сшеться. Теплова дiя у сукупност з багаторазо-вими ци^чними навантаженнями, на^ванням i охолодженням, термiчними i силовими дефор-мащями, утворенням градiента температур ктотно впливае на кшетику тертя i зношення фрикцшних матерiалiв.

2. Актуальшсть дослщження

Матерiали гальмiвних пристро1в працюють в умовах жорсткого контактного i температурного на-вантаження. Вщ 1х надшност i працездатност напряму залежить безпека персоналу та трепх

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 3/2(17], 2014, © Кшдрачук М. В., Псов О. В., Стебелецька Н. М.

7

э