автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств пористых подшипников скольжения путем формирования разноуплотненной структуры в процессе радиального обжатия

Введение

1. Анализ современных технологий получения пористых антифрикционных изделий, перспективы и задачи исследования.

1.1. Современные технологии получения пористых антифрикционных изделий.

1.1.1. Порошковые антифрикционные материалы.

1.1.2. Технологии изготовления.

1.1.3. Влияние структуры пористого подшипника скольжения на повышение его эксплуатационных свойств.

1.2. Современное состояние и перспективы теоретического описания процесса калибрования пористой втулки.

1.3. Особенности деформации спеченных пористых втулок.

1.3.1. Пластическое деформирование пористых цилиндрических заготовок и методы его исследования.

1.3.2. Механизм образования соединения между компонентами пластическим деформированием.

1.4. Выводы и задачи исследования.

2. Математическое моделирование формирования разноуплотненной структуры при калибровании пористых втулок

2.1. Применение метода конечных элементов для исследования НДС пористых осесимметричных заготовок.

2.2. Постановка задачи и моделирование процесса деформирования пористых втулок в конических матрицах.

2.3. Исследование процесса уплотнения пористых втулок при радиальном обжатии в конических матрицах.

2.3.1. Определение действительных механических свойств пористого материала.

2.3.2. Анализ процесса уплотнения пористых втулок при калибровании.

2.3.3. Определения конечных свойств втулок в результате калибрования.

2.4. Выводы по главе.

3. Экспериментальная оценка процесса формирования разноуплотненной структуры пористой втулки

3.1. Методика проведения эксперимента.

3.2. Результаты эксперимента по калиброванию пористых втулок и их анализ.

3.2.1. Анализ факторов, влияющих на уплотнение и разуплотнение материала втулки.

3.2.2. Факторы, влияющие на усилие калибрования.

3.3. Сравнение теоретических и экспериментальных данных.

3.3.1. Оценка конечной пористости.

3.3.2. Оценка механических свойств.

3.4. Выводы по главе.

4. Совершенствование технологии производства антифрикционных изделий из металлического порошка

4.1. Разработка методики определения технологических параметров калибрования для получения необходимого уплотнения поверхностных слоев.

4.2. Разработка технологии производства подшипников скольжения с раноуплотненной структурой.

4.3. Внедрение результатов работы.

4.4. Выводы по главе.

До половины мирового промышленного производства изделий, получаемых методом порошковой металлургии, приходится на антифрикционные материалы. Изделия, изготовленные из порошковых антифрикционных материалов, используют во многих отраслях промышленности. Наибольшее применение они находят в тракторо- и сельхозмашиностроении, автомобильной промышленности, тяжёлом, энергетическом транспортном машиностроении, в текстильной и пищевой промышленностях, в авиационной и бытовой технике, приборостроении и др. Причём от работы антифрикционных изделий зависит надёжность станков, машин, оборудования. Поэтому повышение их эксплуатационных характеристик является на сегодняшний день актуальной задачей.

Широко известны противоречивые требования, предъявляемые к антифрикционным изделиям, например втулкам подшипников. С одной стороны материал должен быть износостойким, плотным; с другой -способным уменьшить коэффициент трения, обеспечивать проникновение масла в зазор, т. е. быть пористым.

Эти свойства можно объединить в пористом изделии, если рабочей поверхности придать износостойкость, максимально приближенную к компактному материалу, а внутреннюю область сохранить пористой. Для изготовления пористых антифрикционных деталей с повышенной плотностью поверхностных слоёв целесообразно использовать дополнительную обработку давлением формованных и спечённых заготовок. Деформацию поверхностного слоя изделия можно реализовать через операцию калибрования, которая до настоящего времени рассматривалась в основном как операция по доводке формы и размеров. И не учитывалось, что в процессе обжатия в калибровочных пресс-формах происходит образование слоя, имеющего отличную от сердцевины структу6 ру, способную благоприятно влиять на эксплуатационные свойства изделия. Поэтому выявление особенностей деформации поверхностных слоев при калибровании пористой втулки представляет значительный практический и теоретический интерес с точки зрения получения улучшенной структуры и повышения физико-механических свойств изделия.

Таким образом, целью работы является: совершенствование операции калибрования антифрикционных изделий для улучшения их эксплуатационных свойств на основе получения разноуплотнённой структуры при деформационно-силовом воздействии.

В связи с этим ставятся следующие задачи исследования:

• разработать математическую модель оценки распределения напряжений и деформаций по сечению пористой цилиндрической втулки при внешнем силовом воздействии;

• выявить факторы, влияющие на уплотнение поверхностных слоев пористой втулки в процессе пластической деформации в зависимости от условий;

• осуществить экспериментальное обоснование разработанных теоретических положений;

• создать методику расчета рациональных технологических параметров калибрования для получения необходимого уплотнения поверхностных слоев;

• разработать усовершенствованную технологию производства пористых антифрикционных изделий на примере подшипника скольжения для узлов трения средненагруженных машин.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана математическая модель радиального обжатия пористой втулки в конических матрицах, отличающаяся от предшествующих тем, что позволяет определить компоненты напряженно-деформированного состояния и физико-механические свойства не только по вы7 соте, но и по радиусу заготовки, причем с учетом изменения свойств пористого материала в процессе деформирования;

• установлены качественные и количественные зависимости влияния параметров калибрования на степень уплотнения поверхностных слоев спечённой пористой втулки;

• проведена оценка требуемой степени уплотнения поверхности пористых подшипников в зависимости от условий эксплуатации для улучшения их свойств;

• разработаны новые технологические аспекты процесса калибрования пористых втулок, заключающиеся в использовании холодной пластической деформации в качестве операции, обеспечивающей не только форму и размеры, но и одновременное улучшение свойств материала готового изделия.

Практическая ценность работы:

• обоснована необходимость применения на практике принципов формирования разноуплотненной структуры пористых подшипников, которые дают возможность более точно регулировать необходимые эксплуатационные свойства.;

• определены и экспериментально подтверждены направления совершенствования технологических режимов калибрования для формирования необходимой структуры спечённых пористых втулок;

• разработана методика определения степени уплотнения поверхностных слоев спечённой пористой втулки в зависимости от параметров калибрования;

• разработан и опробован технологический процесс производства антифрикционных изделий с разноуплотненной структурой на примере втулки подшипника скольжения для узла трения автомата-комбайна А1918, эксплуатируемого на ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод» в холодно-прессовом цехе №2. 8

4.4. Выводы по главе

1. Разработана методика определения рациональных параметров калибрования с учетом свойств пористого антифрикционного материала с целью получения требуемой структуры для любых пористых подшипников скольжения.

2. Разработан технологический процесс производства пористых антифрикционных изделий с разноуплотненной структурой на примере

114 втулки подшипника скольжения для узлов трения автомата-комбайна А1918, эксплуатируемого на ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод» в холодно-прессовом цехе N22.

115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате решения поставленных в диссертационной работе задач по совершенствованию операции калибрования антифрикционных изделий для улучшения их эксплуатационных свойств на основе получения разноуплотнённой структуры при деформационно-силовом воздействии можно сделать следующие выводы:

1. На основании литературного обзора установлено, что эксплуатационные свойства пористых подшипников скольжения можно улун-шить путем создания разноуплотнённой структуры, причем, не вводя дополнительные виды обработки, а используя, всегда присутствующую в технологической цепочке, операцию калибрования. Однако, предпринятые разными исследователями, попытки описать процесс пластической деформации при обжатии спеченного пористого материала в конических матрицах являются не достаточными в виду применения упрощенных математических моделей.

2. Разработана математическая модель радиального обжатия пористой втулки в конических матрицах, отличающаяся от предшествующих тем, что позволяет определить компоненты напряженно-деформированного состояния и физико-механические свойства не только по высоте, но и по радиусу заготовки, причем с учетом изменения свойств пористого материала в процессе деформирования.

3. На основе этого разработан алгоритм и создана программа для моделирования на ЭВМ процесса деформирования осесимметричных пористых втулок, с помощью которой могут быть определены оптимальные параметры калибрования каждого конкретного подшипника скольжения для получения требуемой структуры и свойств.

4. На основании экспериментальных исследований подтверждены теоретические выводы о том, что в процессе калибрования спеченной

116 пористой втулки по наружной поверхности с использованием оправки происходит уплотнение и упрочнение наружной и в меньшей степени внутренней поверхностей, а также одной из торцевых поверхностей, находящейся под пуансоном. Результаты измерения пористости и твердости по осевому сечению изделия показали удовлетворительную сходимость с теоретическими расчетами.

5. С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований выработана методика определения требуемой степени уплотнения и упрочнения пористой втулки в зависимости от параметров калибрования (припуска и угла конусности) с учетом свойств ма=. териала. В связи с чем, калибрование может быть рекомендовано не только как рациональный, но и как управляемый способ получения требуемого набора свойств пористых подшипников скольжения на основе железа, а также других материалов.

6. Разработан и опробован технологический процесс производства антифрикционных изделий из порошка марки ПА-ЖГрДК с учетом модификации поверхностей на примере втулки подшипника скольжения, установленного в узлах автомата-комбайна А1918, эксплуатирующегося в холодно-прессовом цехе №2 на ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод». Данный технологический процесс, как показали испытания, позволяет получить из более дешевого материала подшипники скольжения, не уступающие по эксплуатационным свойствам втулкам, которые в настоящее время изготавливаются для этих узлов специалистами инструментального цеха из сплава БрОФ10-0,5. Разработанный технологический процесс предложен к внедрению на ОАО «МММЗ» при изготовлении втулок и вкладышей подшипников скольжения для аналогичных и подобных узлов трения пресс-автоматов, эксплуатируемых на заводе.

117

1. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник. Киев, Наук, думка, 1985. - 624 с.

2. Порошковая металлургия. Спечённые и композиционные материалы. Под ред. В Шатта. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1983. - 520 с.

3. Пугина Л.И., Орденко В.Б. Спеченные материалы, применяемые в машиностроении. Киев: УкрНИИНТИ, 1978. - 55 с.

4. Либенсон Г.А. Производство порошковых изделий: Учебник. М.: Металлургия, 1990. - 240 с.

5. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия: Учебник -3-е изд., прераб. и доп. М.: Металлургия, 1991. - 432 с.

6. Кашникова Ю.А. Упрочнение поверхности структурно-неоднородных металлоизделий методом пластической деформации // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Магнитогорск: МГТУ, 1999.

7. Мезин И.Ю. Формирование металлоизделий из структурно-неоднородных материалов: Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 155 с.

8. Sintermetall-Glaitlager: Pressteile. Prospekt VEB Eisen- und Huttenwerke Thale im VEB Bundstahlkombinat "Hermann Matern"

9. Шибряев Б.Ф. Пористые проницаемые спеченные материалы. М.: Металлургия, 1982. - 168 с.

10. Сулима А.И., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988.-240 с.

11. Белов В.А. Технология обработки плоскостей пластическим деформированием. Киев: Техника, 1972. - 72 с.

12. Композиционные материалы: В 8-ми т. Пер. с англ. Под. ред. Л. Бра-утмана, Р. Крока. М.: Машиностроение, 1978 - Т. 3. Применение композиционных материалов в технике/ Под. ред. Б. Нотона. 1978.512 с.

13. Гришкова Л.А. Поверхностное упрочнение металлов и сплавов путем нанесения защитных покрытий // Порошковая металлургия. 1991. -№2.-С. 102- 104.

14. Мухин В.В. Повышение эксплуатационных свойств пористых подшипников скольжения // Моделирование и развитие процессов ОМД: Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей. Магнитогорск: МГТУ, 2000.^ С. 281-284.

15. Де Гроат Д.Х. Производство изделий из металлического порошка. -М.: Машгиз, 1960. 198 с.

16. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия. 4-е изд., прераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1990. - 319 с.

17. Эпик А.П., Маджид А. Химико-термическая обработка порошковых материалов на железной основе // Порошковая металлургия. 1993. - №8. - С. 37-43.

18. Пат. 4466165, США, МКИ2 В21Д53/10. Method of forming a bearing./ Otto Charles W. (США), General Electric Co (США) №37754; Заявлено 12.05.85; Опубл. 21.08.84; НКИ 29/149.5РМ.

19. Сердюк Г.Г. Поверхностное упрочнение изделий из металлокерами-ческих порошков обработкой давлением (обзор) // Порошковая металлургия. 1993. - №7. - С. 31 - 41.

20. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще-калибрующей и формообразующей обработки металлов. М.: Машиностроение, 1971. - 208 с.

21. Петросян Г.Л., Мусаелян Г.В., Петросян Х.Л. Исследование процесса выдавливания спеченного пористого изделия через коническую матрицу // Порошковая металлургия. 1985. - №3. - С. 19 - 23.119

22. Петросян Г.Л., Мусаелян Г.В., Петросян Х.Л. Особенности исследования методом конечных элементов больших пластических деформаций при выдавливании спеченных материалов // Порошковая металлургия. 1987. - №3. - С. 18 - 20.

23. Федорченко И.М., Андриевский Р.А. Основы порошковой металлургии. Киев: Изд. АН УССР, 1963. - 420 с.

24. Григорьев А.К., Рудской А.И. Пластическая деформация пористых материалов. Л.: ЛДНП, 1989. - 28 с.

25. Бальшин М.Ю., Кипарисов С.С. Основы порошковой металлургии. -М.: Металлургия, 1978. 185 с.

26. Артамонов А.Я. Влияние условий обработки на физико-механическое состояние металлокерамических материалов. Киев: Наукова думка, 1965.-263 с.

27. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. 2-е изд., прераб. и доп. - М.: Металлургия, 1987. - 208 с.

28. Бебнев П.И. Калибрование железографитовых втулок. М.: ИТЭИН, 1955.-20 с.

29. Мошков А.Д., Успенский Я.В. Технология производства и применение пористых подшипников. М.: Машгиз, 1959. 84 с.

30. Соколовский В.В. Теория пластичности. М.: Высш. Школа, 1969.608 с.

31. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности. Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1987. - 352 с.

32. Скороход В.В., Тучинокий Л.И. Условие пластичности пористых тел // Порошковая металлургия. 1978. - №11. - С. 83 - 87.

33. Мезин И.Ю., Кашникова Ю.А., Кузнецов М.Г. Анализ процесса калибрования пористой втулки // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск: МГТУ, 1998.-С. 80 - 87.

34. Петросян Г.Л. Пластическое деформирование порошковых материалов. М.: Металлургия, 1988. - 152 с.

35. Николаевский В.Н. Допредельная пластичность пористых материалов // Механика деформируемых тел и конструкций. Сборник статей."? Отв. Ред. акад. В.В. Новожилов. М.: Машиностроение, 1975. - С. 342 - 348.

36. Кальнер В.Д., Романов В.П. Упрочнение спеченных заготовок на основе железа // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. - №5. -С. 20 -24.

37. Поляков В.В., Сыров Г.В., Демьянов Б.Ф. Особенности пластической деформации пористых металлов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. - №3. - С. 21 -23.

38. Джонс В.Д. Основы порошковой металлургии. Свойства и применение порошковых материалов: Пер. с анг. М.: Мир, 1965. - 390 с.

39. Скороход В. В. Реологические основы теории спекания. Киев: Нау-кова думка, 1973. - 151 с.

40. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.

41. Томсен Э., Янг Ч., Кобаяши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов: Пер. с анг. М.: Машиностроение, 1969,503 с.

42. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. -М.: Машиностроение, 1977. 423 с.121

43. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -544 с.

44. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. -М.: Стройиздат, 1977. 128 с.

45. Горячев А.П., Пахомов В.А. Решение трехмерных физически нелинейных задач МКЭ // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Статика и динамика деформируемых систем / Всесоюз. межвуз. сб. Горький: ГГУ, 1980. - Вып. 15. - С. 69 - 75.

46. Малинин Н.Н., Романов К.И. Решение задач горячего формоизменения методом конечных элементов // Известия вузов. Машиностроение. 1977. - № 8. - С. 127 - 131.

47. Семенов А.П. Схватывание металлов. -М.: Машгиз, 1958,- 280 с.

48. Гельман А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970,312 с.

49. Сахацкий Г.П. Технология сварки металлов в холодном состоянии. -Киев. Наукова думка, 1979. 296 с.

50. Корнилов В.Н., Залазинский А.Г., Новоженов В.И. Феноменологическая модель схватывания однородных металлов // Известия вузов «Черная металлургия». 1996. - №6. - С. 32 - 35.

51. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. - 264 с.

52. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. -280 с.

53. Красулин Ю.Л., Назаров Г.В. Микросварка давлением. М.: Металлургия, 1976. -160 с.

54. Дорофеев Ю.Г. Динамическое горячее прессование пористых порошковых заготовок. М.: Металлургия, 1977. - 216 с.

55. Лещинский В.М., Блохин А.Г. Упрочнение твердой фазы при гидра-статическом сжатии порошковой среды // Порошковая металлургия. -1987. -№3. С. 18-20.

56. Арефьев Б.А., Пановко В.М. Формирование соединения между компонентами структурно-неоднородных пористых систем при их пластической деформации // В кн.: Пластическая деформация конструкционных материалов. М.: Наука, 1988. - С. 80 - 100.

57. Красулин Ю.Л., Баринов С.М., Иванов B.C. Структура и разрушение материалов из порошков тугоплавких соединений. Сборник статей. -М.: Наука, 1985. 149 с.

58. Мезин И.Ю. Формирование износостойких изделий из материала сталь-карбид холодным деформированием // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Магнитогорск: МГТУ, 1991.123

59. Петросян Г.Л. Деформационная теория пластичности пористых материалов // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1978. - №11. - С. 5 - 8.

60. Мезин И.Ю., Мухин В.В. Диаграмма деформирования пористого железа // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. под ред. Г.С. Гуна. Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 9 -13.

61. Петросян Г.Л., Нерсисян Г.Г., Аветян С.С. Исследование напряженно-деформированного состояния осесимметричной осадки пористых материалов методом конечных элементов // Известия Ан. Арм. ССР. Механика. 1980. - №1. - С. 65 - 76.

62. Малинин Н.Н. Технологические задачи пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1979. 119 с.

63. Трауб Дж. Итерационные методы решения уравнений: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -264 с.

64. Ротан О.В., Габриелов И.П. Справочник по порошковой металлургии: порошки, материалы, процессы. Минск: Беларусь, 1988. - 175с.

65. Мошков А.Д. Пористые антифрикционные материалы. М.: Машиностроение, 1968. - 208 с.

66. Мухин В.В., Мезин И.Ю., Гун Г.С. Анализ процесса уплотнения пористых втулок при калибровании // Эффективные технологии производства метизов: Сб. науч. тр. под ред. Е.Н. Тефтелева. Магнитогорск: МГТУ, 2001.-С. 104- 109.

67. Трусковский В.И., Барков Л.А., Плотников В.К. Прессы-автоматы для обработки порошковых материалов. Челябинск: Металл, 1994. -304 с.125