автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование гидродинамического эффекта смазки при волочении

На правах рукописи

Чикуров Геннадий Александрович

УДК 621.771

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА СМАЗКИ ПРИ ВОЛОЧЕНИИ

Специальность 05.03.05 - «Технология и машины обработки давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2005

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки УР, доктор технических наук, профессор Покрас И.Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дементьев В.Б.

кандидат технических наук, доцент Глухов В.П.

Ведущая организация:

Институт прикладной механики Уральского отделения РАН

Защита состоится 18 марта 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.065.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г.Ижевск, ул.Студенческая,7.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, Ученому секретарю совета Беневоленскому И.Е.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.

Автореферат разослан 15 февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного д.т.н., профессор

Беневоленский И.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Волочение - широко распространенный технологический процесс для получения прутков, проволоки, труб и т.д. Трение является одним из главных отрицательных факторов, затрудняющих процесс волочения. Силу трения можно существенно уменьшить, создав между трущимися поверхностями режим жидкостного трения. При этом можно увеличить скорость волочения и степень деформации проволоки, уменьшить усилие волочения, существенно повысить стойкость инструмента. В связи с этим, разработка методов исследования гидродинамического эффекта смазки, позволяющих развить теорию жидкостного трения при волочении, является актуальной задачей.

При определении условий создания режима жидкостного трения при волочении необходимо учитывать взаимное влияние друг на друга гидродинамических и тепловых процессов, происходящих в смазочном слое, а так же деформации трущихся поверхностей.

Использование современной вычислительной техники и комплексного подхода, основанного на совместном решении системы уравнений гидродинамики, теории упругости, теплообмена, зависимости вязкости смазки от температуры и давления повысит точность определения условий создания режима жидкостного трения при волочении, что позволит более широко реализовывать этот режим в производственных условиях.

Целью диссертационной работы является разработка комплексного подхода к определению условий, необходимых для создания режима жидкостного трения при волочении, основанного на совместном решении зависящих друг от друга задач: гидродинамической теории смазки, контактной задачи теории упругости, тепловой задачи с учетом зависимости вязкости применяемой смазки от температуры и давления.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплексный подход к определению условий, необходимых для создания режима жидкостного трения при волочении.

1.1. Разработать методику определения деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием гидродинамического давления смазки.

1.2. Разработать методику определения температуры инструмента и смазки при волочении.

1.3. Разработать алгоритм и программу расчета гидродинамических давлений в слое смазки при волочении с учетом деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки с учетом температуры в зоне контакта, зависимости вязкости смазки от давления и температуры.

2. Определить зависимость вязкости применяемых смазок от температуры и давления.

2.1. Разработать конструкцию вискозиметра для экспериментального исследования зависимости вязкости смазки от давления и температуры.

2.2. Разработать методику и провести экспериментальное

исследование зависимости вязкости смазок от давления и температуры.

3. Разработать устройство для исследования волочения в режиме жидкостного трения.

4. Провести экспериментальную проверку результатов теоретических исследований по созданию режима жидкостного трения при волочении.

5. Разработать методику расчета параметров волочения, необходимых для его осуществления в режиме жидкостного трения.

Методы исследований и достоверность. Теоретическое определение деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки в предочаговой зоне при волочении выполнено на основе теории упругости с применением методов интегрального исчисления, а также метода граничных элементов (МГЭ). Расчет упругопластической деформации заготовки выполнен методом упругих решений в форме переменных параметров упругости. Теоретические исследования теплообмена в инструменте при волочении проведены на основе решения уравнения теплопроводности МГЭ.

Экспериментальное исследование зависимости вязкости смазок от температуры и давления проводилось на специально сконструированном вискозиметре с применением современной измерительной аппаратуры. Эксперименты по определению толщины слоя смазки на проволоке после волочения проводились на специально сконструированной установке. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается статистической обработкой результатов и оценкой погрешностей экспериментов.

Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается хорошей сходимостью с данными экспериментов. Достоверность новизны технического решения подтверждается двумя свидетельствами на полезные модели.

На защиту выносятся:

1. Комплексной подход к определению условий, необходимых для создания режима жидкостного трения при волочении, основанный на совместном решении зависящих друг от друга задач: гидродинамической теории смазки, контактной задачи теории упругости и пластичности, тепловой задачи с учетом зависимости вязкости применяемой смазки от температуры и давления.

2. Метод экспериментального определения вязкости ньютоновской жидкости при переменных температурах и давлениях, устройство для его осуществления.

3. Результаты экспериментов по исследованию зависимости вязкости смазок от температуры и давления.

4. Метод и устройство определения толщины слоя смазки на проволоке после волочения.

5. Результаты экспериментов по определению толщины слоя смазки на проволоке после волочения.

6. Методика определения параметров процесса, обеспечивающих создание режима жидкостного трения при волочении, для инструмента с

напорными трубками, напорными волоками, с подачей смазки под давлением от внешнего источника, основанная на разработанном комплексном подходе.

Научная новизна.

1. Разработан комплексный подход к определению условий, необходимых для создания режима жидкостного трения при волочении, основанный на совместном решении зависящих друг от друга задач: гидродинамической теории смазки, контактной задачи теории упругости, тепловой задачи с учетом зависимости вязкости применяемой смазки от температуры и давления.

2. Предложен метод расчета упругих деформаций инструмента и упругопластических деформаций заготовки в предочаговой зоне при волочении, основанный на методе граничных элементов и методе упругих решений в форме переменных параметров упругости.

3. Разработан алгоритм и методика расчета параметров процесса волочения, обеспечивающих создание режима жидкостного трения.

4. Разработан метод и устройство экспериментального определения вязкости ньютоновской жидкости при переменных температурах и давлениях.

5. Разработан метод и устройство определения толщины слоя смазки на проволоке после волочения.

Практическая ценность.

В ходе выполнения диссертационной работы на основании предложенного комплексного подхода разработаны компьютерные программы, применение которых позволяет существенно повысить точность определения условий создания режима жидкостного трения при волочении, что повысит надежность реализации этого режима в производственных условиях. Создание жидкостного трения при волочении приводит к повышению производительности волочильного производства, снижению себестоимости получаемой продукции за счет увеличения скорости волочения и величины обжатия, снижения износа инструмента и обрывности проволоки. Разработанное программное обеспечение может быть адаптировано под существующее оборудование, инструмент, применяемые смазки для любого волочильного производства.

Способ и устройство для экспериментального определения вязкости ньютоновской жидкости могут применяться для исследования реологических свойств смазок при переменных температурах и давлениях.

Материалы исследования используются в учебном процессе на кафедре «МиТОМД» ИжГТУ в курсе «Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением».

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждались на научных заседаниях кафедры «Машины и технологии обработки металлов давлением» ИжГТУ (2000-2004гг.); 5-й Российской университетско-академической конференции (г.Ижевск, УдГУ, Апрель 2001г.); международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ (г.Ижевск, 2002г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 9 научных работах, в том числе получено два свидетельства на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, библиографического списка, включающего 112 наименований. Объем работы 198 страниц машинописного текста, включая 62 рисунка и 31 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика работы.

В первой главе выполнен обзор работ, посвященных исследованию гидродинамического эффекта смазки при волочении.

Отмечен вклад отечественных ученых В.Л. Колмогорова, Г.Л. Колмогорова, В.И. Казаченка, И.Б. Покраса, Е.И. Исаченкова, Л.В. Прозорова, И.Н. Недовизия в решение задач по созданию жидкостного трения в процессах обработки давлением.

Показано, что в работах Д.Г. Кристоферсона и X. Найлора,

A.С. Белоусова и Ю.В. Владимирова, Дж.Х. Таттерсола, Дж.А. Валовита и

B.Р. Уилсона, И.Н. Недовизия, Д. Довсона и Б. Парсонса, И.Л. Перлина, В.Я. Шапиро и Е.Л. Школьникова расчет гидродинамического давления смазки при волочении ведется без учета влияния на него упругих деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием этого давления. Между тем, смазка в очаг формоизменения может попасть только вследствие деформаций контактных поверхностей заготовки и инструмента под действием гидродинамического давления смазки.

На необходимость учета упругих деформаций указано в работе Г.Л. Колмогорова [Колмогоров Г.Л., Мельникова Т.Е. Учет упругой деформации инструмента и заготовки при гидродинамическом волочении / /Изв.вузов. Черная металлургия.-1983.-№2.-С.59-61]. Однако в этой работе рассмотрены упругие деформации инструмента и заготовки только в цилиндрической части насадки, упругие деформации в конической части - перед входом в очаг формоизменения, не рассчитывались. Хотя именно в этой части предочаговой зоны упругие деформации наиболее сильно влияют на величину гидродинамического давления смазки, поскольку зазор между проволокой и инструментом здесь уменьшается, а гидродинамическое давление смазки достигает значительно больших значений и вызывает большие деформации.

Задача комплексного подхода к гидродинамической теории смазки была поставлена в работе Покраса И.Б. и Казаченка В.И. [Покрас И.Б., Казаченок В.И. К гидродинамической теории смазки в процессах обработки металлов давлением // Трение и износ.-1980.-№5.-С.785-792].

Данная работа направлена на уточнение и дальнейшее развитие теории жидкостного трения при волочении, за счет применения комплексного подхода к определению условий создания режима жидкостного трения, включающего в себя совместное определение гидродинамического давления смазки, деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки, температуры инструмента и смазки в предочаговой зоне, вязкости смазки с учетом ее зависимости от давления и температуры.

Выполнен анализ конструкций устройств для волочения в режиме жидкостного трения отечественного и зарубежного производства.

В заключение главы поставлена цель и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе разработана теория по аналитическому определению условий создания режима жидкостного трения при волочении. Приведены уравнения, алгоритмы расчета гидродинамического давления смазки, деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки, температуры инструмента, температуры смазки в предочаговой зоне.

При волочении смазка прилипает к поверхностям инструмента и заготовки, и при движении в ней благодаря вязкости возникают гидродинамические давления. Эти гидродинамические давления, действуя на упругие трущиеся поверхности, вызывают их деформации. Величины деформаций определяются эпюрой гидродинамических давлений.

Одновременно, в результате деформаций поверхности образуется зазор соответствующей формы, который, в свою очередь, определяет эпюру гидродинамических давлений.

Кроме того, на возникающие гидродинамические давления значительное влияние оказывает вязкость смазки. Величина вязкости, в свою очередь зависит от величины гидродинамического давления и от температуры смазки.

Таким образом, комплексный подход к определению условий, необходимых для создания режима жидкостного трения при волочении, состоит в совместном численном решении системы нелинейных дифференциальных уравнений четырех тесно связанных между собой задач:

1. Задача гидродинамики для движущейся жидкости, ограниченной двумя трущимися поверхностями, решение которой дает эпюру гидродинамических давлений.

2. Контактная задача теории упругости, решение которой необходимо для определения деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием эпюры гидродинамических давлений.

3. Тепловая задача для смазочного вещества и трущихся поверхностей, решение которой позволяет учесть зависимость вязкости смазки не только от давления, но и от температуры.

4. Задача определения вязкости смазки с учетом ее зависимости от гидродинамического давления и температуры.

1. Зона постоянного зазора h=h0 = const - напорная трубка длиной 1[.

2. Предочаговая зона длиной 12. Клиновой зазор между поверхностями волоки и проволоки.

3. Зона очага деформации длиной 13.

Рис. 1. Расчетная схема для волочения с использованием напорной трубки

Давление в слое смазки в 1-й и во 2-й (предочаговой) зоне определяется дифференциальным уравнением О. Рейнольдса:

где Ь - толщина слоя смазки в предочаговой зоне переменна и определяется выражением: И =/10-х tgy + W¡+1¥2, (2)

р - давление смазки; Ц - вязкость смазки; и - скорость проволоки; 11о зазор между проволокой и напорной трубкой; q - объемный расход смазки; у - рабочий угол волоки; W[, - деформации контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием гидродинамического давления.

Давление смазки в зоне очага деформации определяется контактными давлениями между заготовкой и инструментом, развиваемыми в процессе пластической деформации и может быть найдено из следующего приближенного дифференциального уравнения:

(3)

dp 2 ,

dx Н h

где - толщина заготовки в очаге деформации:

- исходная толщина заготовки; - предел текучести материала

заготовки.

Объемный

расход

на входе в

формоизменения:

очаг

(4)

смазки определяется

где - толщина слоя смазки на входе в очаг деформации; значение находится из уравнения (3).

Для нахождения распределения давления по длине смазочной щели по формулам (1) и (3) необходимо определить деформации контактных поверхностей инструмента и заготовки, установить зависимость вязкости смазки от давления и температуры, найти температуру смазки в предочаговой зоне.

Известны различные способы определения упругих деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки: по формулам теории упругости, с использованием гипотезы Винклера, методом граничных элементов и др. Эти способы существенно отличаются друг от друга по точности, сложности и трудоемкости производимых расчетов. В работе выполнена оценка возможности использования того или иного способа расчета деформаций.

По формулам теории упругости, если инструмент принять за упругое полупространство, а заготовку принять за упругую полосу, лежащую на абсолютно жестком основании и нагруженную нагрузкой р, то деформации контактных поверхностей инструмента и заготовки можно найти [Коднир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. -М.: Машиностроение, 1976.-304с.]:

где

Ф

е-х

Я„

= Ь—.. . VI,

1

3-41/,

(5)

(6)

сНЦ + ^+РУУ

IV],Е] - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала инструмента; У2,Е2 - коэффициент Пуассона и модуль Юнга материала заготовки; р - гидродинамическое давление смазки в данном сечении с координатой х; - длина предочаговой зоны.

По гипотезе Винклера, деформации пропорциональны приложенному д а 1Г,=к,р, 1Г2 =/сгр, : ( 7 )

где

1-й

■Я„

1-у

(8)

2£, яЕг

Расчет деформации контактных поверхностей инструмента и заготовки по формулам теории упругости использует схематизацию контактирующих тел, связанную с принятием допущений, что инструмент является упругим полупространством, а заготовка - упругой полосой, лежащей на абсолютно жестком основании, что не соответствует реальным условиям. Поэтому расчет деформаций целесообразно провести также МГЭ, который лишен этих недостатков и учитывает реальную геометрию инструмента.

В основе расчета деформаций МГЭ лежит теорема взаимности. Для расчета деформаций контуры инструмента и заготовки аппроксимируются

примыкающими друг к другу прямолинейными отрезками - граничными элементами (ГЭ). Расположение ГЭ задается указанием координат х, у начальной и конечной точек отрезка. На каждом ГЭ контура задаются два из четырех граничных параметров. Граничными параметрами являются значения напряжений и смещений в центре ГЭ: <Г5, СТ„, и5, ип. Известными параметрами в зонах 1, 2 и 3 (рис.1) являются значения напряжений, а смещения - это неизвестные, искомые значения деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки. Если число ГЭ равно К, то всего 4К граничных параметров.

В соответствии с геометрией задачи и заданными граничными условиями определяются коэффициенты влияния

А5'п) А„У, А^а, которые образуют массив - матрицу систем линейных уравнений вида:

(9)

где 1 принимает значения от 1 до N.

Решение полученной системы алгебраических уравнений осуществляется методом исключения Гаусса без выбора ведущего элемента и позволяет найти искомые значения граничных параметров, а именно: для

инструмента это значения смещений и5 и и„ на участках 1, 2 и 3 (рис.1.), для заготовки - значения смещений и на участках предочаговой зоны. Полученные значения смещений и5 и и„ определяют деформации контактных поверхностей инструмента и заготовки от действия гидродинамического давления смазки.

В случае если при заданных условиях волочения гидродинамическое давление смазки достигает значения, определяемого условием пластичности, в момент входа проволоки в очаг деформации, то толщина слоя смазки на входе в очаг формоизменения определяется только упругими деформациями контактных поверхностей волоки и проволоки. Если же давление смазки достигает значения, определяемого условием пластичности, еще до входа проволоки в очаг деформации, в этом случае толщина слоя смазки на входе в очаг формоизменения будет определяться суммой упругопластической деформации заготовки и упругой деформации инструмента.

Расчет упругопластической деформации заготовки в предочаговой зоне при волочении выполняется методом упругих решений, предложенным А.А.Ильюшиным, в форме переменных параметров упругости. В этом методе появление пластических деформаций учитывается изменением модуля упругости и коэффициента Пуассона, которые являются в каждом приближении функциями пространственных координат.

Для расчета упругопластических деформаций заготовки применяется метод граничных элементов, расчет в котором подобен использованному при расчете упругих деформаций, с той разницей, что для части границы заготовки (с момента достижения давлением смазки значения предела текучести материала заготовки и до ее входа в очаг деформации) используются переменные параметры упругости [Александров А.В., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности.-М.:Высш.шк., 1990- 400с].

В работе приведены методики и алгоритмы расчета деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием гидродинамического давления смазки при волочении по формулам теории упругости, а также МГЭ. Кроме того, приведены примеры расчета деформаций по предложенным алгоритмам для волочения стальной, алюминиевой и медной проволоки, в том числе и для случая возникновения пластических деформаций заготовки уже в предочаговой зоне.

Сопоставление значений толщины слоя смазки на проволоке после волочения, рассчитанных по формулам теории упругости и МГЭ, показало, что значения, полученные по формулам теории упругости, много выше полученных МГЭ. Лучше согласуются с экспериментальными данными значения, полученные МГЭ.

Расчет температуры смазки необходим, так как с повышением температуры смазки существенно снижается ее вязкость, а это влечет за собой падение давления, развиваемого насадкой, и режим трения при волочении может перейти из жидкостного в граничный.

Исходным уравнением для определения температуры смазки

где - коэффициент теплопроводности смазки; Т - температура смазки;

-вязкость смазки, функция от температуры смазки и давления; и -скорость течения смазки.

При его решении учитываются следующие граничные условия: для У=0: Т=Тзаг; для У=Ь: Т=Тинст, где Тмг - температура поверхности заготовки; - температура поверхности инструмента.

Решение уравнения (10) дает среднюю температуру смазки в сечении [Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением.-М.:Металлургия, 1986.-162с.]:

Из уравнения (11) видно, что для определения средней температуры смазки необходимо знать температуру поверхности инструмента в предочаговой зоне. Расчет температуры инструмента производился МГЭ. В основе расчета температуры инструмента МГЭ лежит дифференциальное уравнение теплопроводности.

является уравнение энергии в слое смазки:

Граничные условия в зоне очага деформации заданы температурой контактного слоя [Колмогоров В.Л., Орлов СИ., Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая подача смазки.-М.:Металлургия, 1975.-256с.]:

где 1<, - температура проволоки на входе в волоку; коэффициент трения;

- показатель напряженного состояния; - предел текучести материала проволоки; Т) - относительное обжатие; С] - теплоемкость проволоки; р] плотность проволоки; К[ - выбирается по среднему значению критерия Пекле; - угол волочения.

Граничные условия на остальных поверхностях заданы тепловыми потоками: теплообмен с окружающим воздухом, смазкой, волокодержателем, охлаждаемым проточной водой.

Значение температуры Т в произвольной точке Р границы контура инструмента С определяется: С Т + ^Тд*с1С - (13)

где

дТ

Т* = — 1г/— |, 2л 1

1 а

1п

1)1 Ч(*-*,У+{у-у,У-

дп 2л'Л Я / ' 2л дп

В работе приведен алгоритм и методика расчета температуры контактной поверхности инструмента при волочении МГЭ. Кроме того, приведены примеры расчета температуры инструмента по предложенному алгоритму для случая волочения стальной, алюминиевой и медной проволоки. В приведенных примерах температура инструмента на входе в очаг деформации колеблется от 321 до 368 К.

Зная распределение температуры по поверхности канала волоки, можно найти температуру смазки в предочаговой зоне.

Результаты расчета значения средней температуры смазки по формуле (11) показывают, что доля первого слагаемого составляет менее 0,1% от суммы, поэтому им при расчетах можно пренебречь. Доля второго слагаемого правой части формулы (11) составляет до 24% от величины средней температуры смазки.

Рост средней температуры смазки по длине смазочной щели в предочаговой зоне при волочении вызван как нагревом смазки от инструмента, так и ростом вязкости смазки из-за возрастания гидродинамического давления.

В работе предложен алгоритм расчета гидродинамического давления и толщины слоя смазки на входе в очаг деформации при волочении включающий в себя совместное определение гидродинамического давления смазки, деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки, температуры инструмента и смазки в предочаговой зоне, вязкости смазки с учетом ее зависимости от давления и температуры. По предложенному алгоритму приведен пример расчета.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию зависимости вязкости смазок от давления и температуры. Приведены описание используемого оборудования, методика проведения экспериментов, результаты экспериментов, статистическая обработка результатов экспериментов и определение погрешностей, на примере полученных данных дана методика определения функциональной зависимости вязкости смазки от температуры и давления.

Дан анализ основных методов измерения вязкости жидкостей.

Подробно описан разработанный автором капиллярный вискозиметр (рис.2), позволяющий измерять вязкость ньютоновских жидкостей при высоких давлениях и различных температурах. На разработанный вискозиметр получено свидетельство на полезную модель РФ №19167 от 10.08.2001 г.

Особенностью разработанного вискозиметра является то, что капилляр выполнен в виде кольцевого зазора между цилиндрическим отверстием в корпусе 1 вискозиметра и расположенным внутри этого отверстия стержнем 2. Схема течения жидкости по такому капилляру наилучшим образом соответствует схеме течения смазки при гидродинамическом волочении.

1-корпус

2-стержень

3-датчик температуры

4-нагревательный элемент-спираль

5-обойма

6-кожух

7-теплоизоляция-асбест

8-обратный клапан

9-сливная трубка

10-нагнетающая трубка

11-шарик

12-толкатель

13-рычаг

14-грузы

15-плунжер

16-болты

17-нижняя плита

Рис. 2. Общий вид капиллярного вискозиметра

Для проведения экспериментов вискозиметр устанавливался на стол универсальной испытательной машины УИМ-50. Плунжер вискозиметра закреплялся на ползуне УИМ-50.

Исследуемыми смазками были масло ТАД-17И, соответствующее ГОСТ 23652-79 и масло МС-20 ГОСТ 21743-76.

Эксперименты производили при температурах смазки 293К, 323К, ЗЗЗК, 353К. Для каждой из температур опыты проводили при четырех различных давлениях смазки. Максимальное давление составляло 186МПа.

Давление смазки в полости А создавалось при движении плунжера 15 вниз. Развиваемое давление смазки регулировалось массой грузов 14. Рабочий ход плунжера во всех экспериментах составлял 40 мм.

В ходе эксперимента фиксировалось усилие на плунжере (по индикатору на УИМ-50) и время совершения рабочего хода (электронным секундомером), по которому определялся объемный расход смазки.

Вязкость смазки определялась по формуле [Темцев Б.Т. Техническая гидродинамика. - М.: Машиностроение, 1978.-463 с.]:

где др - перепад давления смазки на входе и на выходе из капилляра (между полостями А и Б вискозиметра); II- радиус отверстия под стержень в корпусе вискозиметра; Я! - радиус стержня; <3 - объемный расход смазки; - длина капилляра. Предельная относительная погрешность определения вязкости смазки по формуле составила 2,16%.

Для определения перепада давления проводились

эксперименты с длиной капилляра, равной нулю. Было установлено, что без значительной погрешности перепад давлений между полостями А и Б

где Р - усилие, действующее со стороны УИМ-50 на плунжер в экспериментах с длиной капилляра, отличной от нуля; FL=0 - усилие, действующее со стороны УИМ-50 на плунжер в экспериментах с длиной капилляра, равной нулю. Найденный таким образом перепад давлений учитывает различные потери давления на трение в уплотнениях.

В результате обработки полученных экспериментальных данных методом наименьших квадратов были установлены функциональные зависимости вязкости исследованных смазок от давления и температуры. Для смазки ТАД-17И в интервале давлений от 66 до 160 МПа и температур от 293 до 353 К, зависимость вязкости от давления и от температуры наилучшим образом описывается формулой:

(14)

можно найти по формуле:

(15)

_ _ и.ча р+и.эи.}—и.иI / I ТТ

ц = т ,Пуаз

где р - давление смазки, МПа; Т - температура смазки,°С.

0,027 р*0,503 £-0,0177'

,Пуаз

Для смазки МС-20 в интервале давлений от 66 до 186МПа и температур от 293 до 353 К получена следующая зависимость вязкости от давления и от температуры:

у ~ 2 3 0,0'97'"0''64г"0'004Г Пуаз (17)

В четвертой главе приведена методика экспериментального исследования процесса волочения в режиме жидкостного трения, описано используемое оборудование, методика обработки результатов экспериментов, результаты экспериментов, выполнено определение погрешности экспериментов, произведено сопоставление теоретических и экспериментальных значений толщины слоя смазки на проволоке после волочения.

Для проверки предложенных во второй главе теоретических зависимостей были проведены эксперименты по определению толщины слоя смазки на проволоке после волочения.

Для проведения экспериментов была разработана и изготовлена сборная волока с устройством принудительной подачи смазки (рис.3), которая жестко крепится к рабочему столу УИМ-50. В ходе проведения эксперимента усилие от ползуна УИМ-50 передается на плунжер 4 сборной волоки, за счет чего в полости А развивается необходимое давление смазки, которое регулируется дроссельной заслонкой и контролируется на индикаторе УИМ-50.

При проведении эксперимента фиксировались: величина хода плунжера Н, время волочения 1, скорость волочения V, начальное давление смазки р0. По этим данным определялась толщина слоя смазки на проволоке после волочения и соответственно устанавливался режим трения при волочении.

Толщина слоя смазки на проволоке после волочения определялась по формуле: . _ (17)

где с^тв - диаметр отверствия под плунжер (рис.3.); с1к - диаметр проволоки после волочения.

Предельная относительная погрешность определения толщины слоя смазки на проволоке после волочения по этой формуле составляет 1,75%.

Эксперименты проводились на 2 мм стальной проволоке марки 2пс ГОСТ 3282-74, а также алюминиевой проволоке 3,5 мм ТУ 16.К71-088-90. Со стальной проволокой было проведено четыре серии экспериментов с обжатием до диаметров 1,85 и 1,78 мм, со скоростями 0,72 и 0,90 м/с. С алюминиевой проволокой было проведено так же четыре серии экспериментов с обжатием до диаметров 3,40 и 3,30 мм, со скоростями 0,72 и 0,90 м/с.

Результаты проведенных экспериментов показали, что толщина слоя смазки на проволоке после волочения составляет от 5 до 7 микрон, исходя из шероховатости проволоки и волоки, эта толщина смазки соответствует режиму жидкостного трения.

1 - рабочая волока

2 - уплотнительная волока (обжатие до 4%)

3 - втулка

4 - плунжер

5 - корпус сборной волоки 6,7 - медное уплотнение

8 - фланец

А - полость для смазки

Рис. 3. Общий вид сборной волоки с устройством принудительной подачи смазки

Была произведена проверка предложенной во второй главе работы теории - сопоставление теоретических расчетов с данными экспериментов. Для условий экспериментов, проведенных автором, по предложенной во второй главе работы теории были проведены теоретические расчеты значения толщины слоя смазки на проволоке после волочения. Сопоставление экспериментально полученных и теоретических значений толщины слоя смазки на проволоке после волочения показало, что относительная погрешность теоретического определения толщины слоя смазки лежит в пределах 12-=-27%. Что является хорошим показателем по сравнению с работами Д.Г. Кристоферсона и X. Найлора, Дж.Х. Таттерсола, в которых теоретические расчеты относительно экспериментальных данных дают гораздо большую погрешность. Разницу между полученными экспериментальными и теоретическими значениями можно объяснить тем, что в теоретическом расчете применялись эмпирические зависимости (например, зависимость вязкости смазки от температуры и давления), в которых уже заложена некоторая погрешность.

В пятой главе предложены методики и программные продукты по определению параметров волочения для его реализации в режиме жидкостного трения для инструмента с напорными трубками (рис.4а), напорными волоками (рис.4б), с подачей смазки под давлением от внешнего источника (рис.4в).

Расчеты показывают, что создать режим жидкостного трения за счет только конусной части рабочей волоки невозможно. Поэтому используют дополнительные устройства. Так Д.Г. Кристоферсон и X. Найлор использовали напорную трубку, В.Л. Колмогоров предложил использовать сборные волоки, В.Ф. Мосеев, АА. Коростелин, Л.Х. Батлер подавали смазку между двух волок под давлением.

в

Рис. 4. Схемы инструмента для волочения: а-с напорной трубкой; б-с напорной волокой; в - с подачей смазки под давлением от внешнего источника

При использовании этих устройств осуществить волочения в режиме жидкостного трения возможно, если гидродинамическое давление достигнет значения предела текучести материала заготовки и толщина слоя смазки в очаге деформации будет больше суммарной высоты микронеровностей контактных поверхностей инструмента и заготовки.

В случае достижения давлением смазки значения предела текучести материала заготовки в момент входа проволоки в очаг деформации, толщина слоя смазки на входе в очаг деформации определяется суммой упругих деформаций контактных поверхностей волоки и проволоки. Расчетами было установлено, что толщины слоя смазки, созданной только за счет упругих деформаций, не всегда достаточно для реализации жидкостного трения. Например, при волочении тонкой проволоки через твердосплавной инструмент толщина слоя смазки на входе в очаг деформации получается меньше суммарной высоты микронеровностей инструмента и заготовки. В этом случае для создания режима жидкостного

трения необходимо подобрать условия, при которых давление смазки достигнет предела текучести материала заготовки еще до входа проволоки в очаг деформации. В этом случае толщина слоя смазки на входе в очаг формоизменения будет определяться суммой упругопластической деформации заготовки и упругой деформации инструмента.

Для случая волочения с использованием напорных трубок (рис 4а) была разработана программа, которая позволяет определить геометрические размеры инструмента (длину напорной трубки Ь, зазор между проволокой и напорной трубкой Ь0), такие, чтобы при заданной скорости волочения и смазке волочение осуществлялось в режиме жидкостного трения. Программа также позволяет по геометрическим размерам инструмента установить необходимую смазку и скорость для гидродинамического волочения.

Рис. 5. Окно программы расчета параметров волочения, необходимых для создания режима жидкостного трения, при использовании инструмента с напорной трубкой

В приведенном на рис.5 примере для зазора между проволокой и напорной трубкой в 0,1 мм, скорости волочения 2,5 м/с, было определено,

что для достижения гидродинамическим давлением смазки на входе в очаг деформации значения, равного пределу текучести материала проволоки 200МПа, длина напорной трубки должна составлять ПО мм, при этом толщина слоя смазки на проволоке после волочения составит 0,00321 мм. При шероховатости поверхности волоки Ra=0,63 мкм, шероховатости поверхности проволоки Яа=1,6 МКМ толщина смазочного слоя в 0,00321 мм будет соответствовать режиму жидкостного трения при волочении.

Программа для случая волочения с использованием напорных волок (рис.4б) позволяет подобрать скорость волочения и смазку в зависимости от геометрических размеров инструмента (зазора между проволокой и напорной волокой, угла напорной волоки) для того, чтобы волочение осуществлялось в режиме жидкостного трения.

При волочении с использованием напорной волоки в начальный момент процесса происходит заполнение смазкой полости между волоками, и давление смазки на входе в очаг деформации мало, что приводит к длительному периоду неустановившегося процесса, при котором нельзя создать режим жидкостного трения. С целью устранения этого недостатка было разработано устройство для волочения в режиме жидкостного трения, которое в начальный момент процесса за счет усилия волочения подает смазку в полость между волоками под давлением. На разработанное устройство для волочения металла со смазкой под давлением получено свидетельство на полезную модель РФ №20865 от 10.12.2001 г.

Для случая волочения с использованием подачи смазки под давлением от внешнего источника (рис.4в) была разработана программа, которая позволяет подобрать необходимое давление смазки в

зависимости от ее вязкости скорости волочения геометрических размеров инструмента для волочения в режиме жидкостного трения.

В работе приведены алгоритмы всех разработанных программ по расчету параметров волочения для его осуществления в режиме жидкостного трения, а так же приведены примеры расчета программ.

Разработанные компьютерные программы могут быть адаптированы под существующее оборудование, инструмент, применяемые смазки любого волочильного производства для оптимизации условий волочения и его осуществления в режиме жидкостного трения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан комплексный подход к исследованию гидродинамического эффекта смазки при волочении. Показано, что для определения условий создания режима жидкостного трения при волочении, необходимо совместно решить четыре зависящие друг от друга задачи: гидродинамической теории смазки, контактной задачи теории упругости, тепловой задачи, зависимости вязкости применяемой смазки от температуры и давления. Такое решение позволяет определить давление и толщину слоя смазки на входе в очаг деформации. Волочение будет

происходить в режиме жидкостного трения, если в очаге деформации толщина слоя смазки будет больше суммарной высоты микронеровностей контактных поверхностей инструмента и заготовки. Толщина слоя смазки определяется деформациями контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием гидродинамического давления смазки, при этом создание режима жидкостного трения при волочении возможно как за счет только упругих деформаций инструмента и заготовки, так и за счет упругопластической деформации заготовки в предочаговой зоне.

2. Проведен анализ возможности использования различных подходов к определению упругих деформаций контактных поверхностей инструмента и заготовки под действием гидродинамического давления смазки при волочении. Сопоставлением с экспериментальными данными показано, что из трех способов определения деформаций (по формулам теории упругости, с использованием гипотезы Винклера, методом граничных элементов), наиболее достоверные результаты получаются, если деформации контактных поверхностей инструмента и заготовки определяются методом граничных элементов. Для расчета упругопластических деформаций заготовки в предочаговой зоне предложено использовать метод упругих решений А.А.Ильюшина в форме переменных параметров упругости.

3. Разработана методика определения температуры смазки и инструмента в предочаговой зоне при волочении. Температура инструмента рассчитывается методом граничных элементов. Показано, что температура смазки в предочаговой зоне в зависимости от условий волочения значительно изменяется, и в рассмотренных случаях составила от 305 до 403 К. Установлено, что рост средней температуры смазки по длине смазочной щели в предочаговой зоне при волочении вызван как нагревом смазки от инструмента, так и увеличением вязкости смазки из-за возрастания гидродинамического давления. В рассмотренных условиях изменение температуры смазки из-за увеличения ее вязкости составило до 24% величины средней температуры смазки.

4. Разработан метод и устройство, защищенное свидетельством на полезную модель, для экспериментального определения вязкости ньютоновских жидкостей при переменных температурах и давлениях. Проведенными экспериментами по исследованию зависимости вязкости смазки от давления и температуры установлено, что для смазок ТАД-17И и МС-20 эта зависимость наилучшим образом описывается экспоненциальной функцией. Получены числовые значения пьезокоэффициентов вязкости И, (3, у для смазок ТАД-17И, МС-20 для давлений до 186 МПа и температур до 353 К.

5. Разработан метод и устройство для экспериментального определения толщины слоя смазки на проволоке после волочения. В результате проведенных на стальной и алюминиевой проволоке экспериментов найдено, что толщина слоя смазки МС-20 на проволоке после волочения лежит в пределах от 0,005 до 0,007 мм. Сопоставление

результатов проведенных экспериментов с теоретически рассчитанными значениями показало, что расхождение составляет от 12 до 27%. Установлено, что для давлений до 6ОМПа и температур до 323К при расчете толщины слоя смазки на проволоке после волочения можно не учитывать зависимость вязкости смазки от давления и температуры, поскольку это не приводит к значительной погрешности расчета. Для больших давлений и температур смазки расчет параметров волочения необходимо вести с учетом одновременной зависимости вязкости смазки от температуры и давления.

6. На основании предложенного комплексного подхода разработаны методики и программы расчета параметров, необходимых для волочения в режиме жидкостного трения, при использовании инструмента с напорными трубками, напорными волоками, с подачей смазки под давлением от внешнего источника. Эти программы позволяют определять геометрические размеры инструмента при заданной скорости волочения и вязкости смазки, или наоборот - для заданной геометрии инструмента подбирать смазку и скорость волочения, обеспечивающие волочение в режиме жидкостного трения.

Показано, что при волочении с использованием напорной волоки в начальный момент процесса происходит заполнение смазкой полости между волоками, что приводит к длительному периоду неустановившегося процесса, при котором нельзя создать режим жидкостного трения. Разработано, защищено свидетельством на полезную модель, устройство для волочения, которое в начальный момент процесса за счет усилия волочения подает смазку в полость между волоками под давлением, устраняя указанный недостаток.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чикуров. Г.А. Упруго-гидродинамическая теория смазки при волочении // Молодые ученые-первые шаги третьего тысячелетия: Труды электронной заочной конференции. - Ижевск: изд-во Удмуртского государственного университета, 2000, с. 95-101.

2. Покрас И.Б., Чикуров Г.А. Определение толщины слоя смазки на входе в очаг деформации при волочении в режиме жидкостного трения // Сборник статей аспирантов и преподавателей под ред. Ф.Ю.Свитковского, А.И.Тананина. - Ижевск, Институт технологических наук и проблем реструктурирования в промышленности, 2000, с. 121-123.

3. Покрас И.Б., Шелковникова Ю.Н., Чикуров ГА. Математическая модель процесса волочения в режиме жидкостного трения // Тезисы докладов 5-й Российской университетско-академической научно-практической конференции. 4.9. - Ижевск: изд-во Удмуртского государственного университета, 2001, с. 47-48.

4. Покрас И.Б., Чикуров. ГА., Кулаков К.В. Упруго-гидродинамическая теория смазки при волочении // Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ( 19-22 февраля 2002г.).-в пяти частях. 4.2. Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении. - Ижевск: изд-во ИжГТУ,2002г.-С.263-270.

5. Покрас И.Б., Чикуров. Г.А. Методика измерения вязкости жидкости при переменных температуре и давлении // Вестник ИжГТУ: периодической научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета.-Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2001г.-Вып.2.- С. 45-47.

6. Покрас И.Б., Чикуров. Г.А Вискозиметр для определения вязкости при переменных температурах и давлениях // Вестник ИжГТУ: периодической научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета.-Ижевск: изд-во ИжГТУ, 2001г.-Вып.2.- С. 50-51.

7. Покрас И.Б., Чикуров. Г.А Установка для экспериментального исследования волочения в режиме жидкостного трения // Вестник ИжГТУ: периодической научно-теоретический журнал Ижевского государственного технического университета.-Ижевск: изд-во ИжГТУ,2001г.-Вып.2.-С. 43-45.

8. Капиллярный вискозиметр: Свидетельство на полезную модель №19167/ Покрас И.Б., Чикуров Г.А. Опубл. 10.08.2001 Бюл. №22.

9. Устройство для волочения металла со смазкой под давлением: Свидетельство на полезную модель №20865/ Покрас И.Б., Чикуров Г.А. Опубл. 10.12.2001 Бюл. №34.

В авторской редакции

Подписано в печать 14.02.2005. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,40. Тираж 100 экз. Заказ №35.

Типография Издательства ИжГТУ. 426069, г.Ижевск, ул.Студенческая, 7.

05 01 - oö, об

m

i 'i ш