автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование способа увеличения поперечного сечения сложных длинномерных профилей обработкой давлением

На правах рукописи

РУМЯНЦЕВ Аркадий Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА УВЕЛИЧЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ СЛОЖНЫХ ДЛИННОМЕРНЫХ ПРОФИЛЕЙ ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ.

I (Специальность 05.03.05. - Технологии и машины обработки давлением).

Автореферат

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006 г.

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н. Э. Баумана.

Научный руководитель - Колесников Александр Григорьевич, д. т. н., проф.

Официальные оппоненты -

д.т.н., проф., Ступников Владимир Петрович.

к.т.н., доц., Шишко Владимир Борисович.

Ведущее предприятие - АХК «ВНИИМЕТМАШ»

Защита состоится "_" _ 2006г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д212.141.04 в Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д.5.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Телефон для справок 267-03-63

Автореферат разослан"_"_2005г.

Ученый секретарь Совета

Семенов В.И.

22£2 7£3

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время промышленность выпускает большое количество типоразмеров длинномерных профилей с различным поперечным сечением и различного назначения. Длинномерные профили широко применяются как готовые изделия (рельсы, балки, трубы, контактные провода, различные направляющие и т. п.), так и в качестве заготовок для последующей обработки методами обработки металлов давлением (ковка, штамповка) и методами обработки резанием.

Часть профилей, использующихся в качестве готовых изделий, в процессе эксплуатации подвержены интенсивному износу (рельсы, различные направляющие, контактные провода) и, в дальнейшем, нуждаются в частой замене. Например, истирание поперечного сечения контактного провода на 30 % приводит к его замене на новый, т. к. ослабленное сечение не в состоянии выдерживать силу натяжения провода между опорами. Изъятые из эксплуатации изношенные длинномерные профили в дальнейшем используются только в качестве лома при вторичной переработке металлов.

Вместе с тем, изношенные длинномерные профили все еще продолжают обладать необходимым набором химических, физических и механических свойств, достигнутых ранее на этапе металлургического передела.

Экономное расходование металлов и их эффективная вторичная переработка являются основными задачами современной промышленности, так как производство металлов и их переработка характеризуются дороговизной, насыщено множеством чрезвычайно сложных и энергоемких технологических операций и сопровождаются вредными выбросами.

Поэтому диссертационная работа посвящена проблеме восстановления длинномерных профилей методами, позволяющими снизить себестоимость продукции и энергозатраты на вторичный передел, улучшить экологическую ситуацию.

Представленная работа выполнялась на кафедре "Технологии и оборудование прокатки" МП'У им. Н. Э. Баумана в соответствие с направлением "Разработка технологий и оборудования для получения изделий из техногенного сырья методами пластической деформации" и при поддержке гранта научно-исследовательских работ Госкомитета РФ по высшему образованию за 1999 год по теме "Разработка способа изготовления медных контактных проводов из техногенного сырья".

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка способа восстановления изношенного сечения длинномерного профиля методом пластической деформации и разработка научно-обоснованной методики расчета энергосиловых параметров процесса.

В работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Установление функциональных взаимосвязей между условиями износа длинномерного профиля и изменением его технологических и эксплута-ционных характеристик. -----

1 1 йлг или и /. 11 л ¿11- и а .1 I

РОС. НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА

2. Разработка технологической схемы восстановления длинномерного профиля методом пластической деформации.

3. Разработка физической и математической моделей процесса деформирования изношенного длинномерного профиля на основе исследований закономерностей течения металла в очаге пластической деформации.

4. Разработка методик проектирования технологического процесса восстановления длинномерного профиля. Разработка алгоритмов и программ для определения силовых и кинематических параметров

Научная новизна В работе теоретически и экспериментально обоснован новый способ увеличения поперечного сечения длинномерною профиля методом пластического деформирования. Впервые получены зависимости для расчета силовых и деформационных параметров процесса восстановления длинномерного профиля.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментальных исследований изменения механических свойств длинномерного профиля в процессе деформационного восстановления.

2. Разработанные физическую и математическую модели деформирования длинномерного профиля.

3. Способ восстановления длинномерного профиля методом пластического деформирования.

4. Методику расчета энергосиловых, кинематических и технологических параметров процесса восстановления длинномерного профиля.

Достоверность научных результатов работы подтверждае гея выполнением граничных условий, удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных по силе деформирования, достижением заданных ГОСТ 2584-86 механических и электрических свойств восстановленного длинномерного профиля (медного контактного провода), использованием современных методов и аппаратуры для экспериментальных исследований.

Практическая ценность. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны методики и даны рекомендации для определения температурных, скоростных и силовых параметров процесса восстановления медного контактного провода МФ85, МФ100.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на Международном научно - практическом семинаре «Инженерный бизнес и защита окружающей среды» (г. Варна, Болгария, 1996 г.), на Международном научно - практическом семинаре «Новые технологии и средства оснащения производства» (г. Сочи, 1996 г.), а также на научных семинарах кафедры МТ-10 МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и получен 1 патент на изобретение № 2109591.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на

113 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 48 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор методов получения длинномерных профилей. Отмечено, что основными способами получения длинномерных профилей являются операции обработки металлов давлением- прокатка, прессование, волочение. Приведены примеры поперечных сечений длинномерных изделий получаемые этими способами. Проанализированы с> тес гв\ ющие способы увеличения поперечного сечения длинномерных профилей, отмечено, что эти способы имеют узконаправленный диапазон применения и не решают проблемы в целом. На основании анализа литературных источников и ряда проведенных экспериментов с длинномерным профилем (контактным проводом) было выявлено совместное влияние пластической деформации и термической обработки на свойства получаемого изделия. В результате был предложен новый способ восстановления изношенного сечения длинномерного профиля, состоящий в непрерывной высадки в закрытую матрицу. На этот способ был получен патент РФ на изобретение № 2109591. Сформулированы цель и задачи исследования

Во второй главе представлен теоретический анализ процесса. В качестве метода исследования использовался энергетический метод, а именно метод верхней оценки. Приведена методика определения кинематического состояния и силового режима. На рис. 1 изображена расчетная схема процесса деформирования.

Рис. 1. Расчетная схема процесса деформирования 1 - провод, 2 - первый матричный узел, 3 - второй матричный узел. 4

- упор 3.

Для математического моделирования технологического процесса была предложена геометрическая модель очага пластической деформации рис. 2.

S= 59 5 мм'

Рис. 2. Поперечное сечение очага пластической деформации

Очаг деформации моделировался цилиндром рассеченный плоскостью, параллельной плоскости оси цилиндра. Так как, весь объем деформируемого металла находится в очаге пластической деформации (D<h), то высоту очага пластической деформации принимали равной ходу дефомирования. Основные допущения, принятые при решении данной задачи: деформируемый металл однороден, изотропен, жесткопластичен (ег =const); деформации пропорциональны вызывающим их напряжениям; силы контактного трения Тк не зависят от нормальных напряжений (Ts и определяются по зависимости Зи-беля (тк = ¡J. • сг1); в металле допускаются разрывы перемещений в неограниченно тонких слоях поверхностях разрыва, если сохраняется при этом непрерывность нормальных к поверхностям разрыва компонент перемещений; температурные напряжения, деформации и силы инерции пренебрежимо малы; течение металла внутри зон равномерно и однородно; кинематически возможные перемещения задаются на основе предварительно проведенных экспериментов на моделях; заполнение калибра осуществляется за счет осадки образца по оси Z, и, как следствие, перемещения металла по сечению по сложной траектории, но преимущественно по оси X, сложность траектории определяется формой заготовки и матриц; в геометрической модели стремились к равенству площадей и периметров изношенных проводов и стандартных. Установили взаимосвязь между ходом пуансона и размерами высаженной части детали, исходя из условия постоянства объема.

4, (2 ■ sin«, + sina, • cosa, - 2 • sinan - sinan • cosa„) ,

Áh=-1-!----- -"o> 0

(37г/ 4+2 • sina, + sina, • cosa,)

где: Ь0- высота заготовки до деформирования, Ь,- высота заготовки после деформирования, Бо- Уг площади заготовки до деформирования, Бр '/> площади заготовки после деформирования, дЬ - ход пуансона, Я- радиус матрицы, а - угол между осью У и радиусом Я, проведенным из начала координат до пересечения границ зон 2 и 3 с матрицей. Угол а может изменяться от 20° (ао) в исходном состоянии до 90° в конечном. Подставляя ряд значений (X) в формулу (1), получали соответствующий ряд значений ДЬ. Зависимость ДЬ = Г (а) изображена на графике (рис. 3).

з -•

20' 30" 40' 50" 60" 70" 80' 90" {¿1

Рис. 3. График зависимости хода пуансона от угла а 1

Задавая значения ДЬ получим соответствующие значения угла а, а, следовательно, и геометрические размеры заготовки.

В каждой из зон были определены кинематически возможные скорости деформации с учетом граничных условий и интенсивности кинематически возможных скоростей деформации. Кинематически возможное поле скоростей в 1-й зоне определим из выражения (2):

Ух =яг-К0 -Л/4-А,

к = -к.

(2)

Кинематически возможное поле скоростей во второй зоне определим из выражения (3):

~ Го,

я-Уп-Х я¥„-Я

4-й

4-й-зт а

V =-lfü—.Z

y2 4 sin a h

Кинематически возможное поле скоростей в 3-ей зоне определим из выражения (4):

\ =~V°>

v3=_I£LI, (4)

хз 2-h w

у х-Ур-У2 Уз 4h-R-sma-cosa'

Для определения силового режима в каждой зоне были определены мощности внутренних сил, сил среза и сил трения. Полную мощность деформирования N, определяли суммированием мощностей внутренних сил, сил среза и сил трения.

М = ы1 +Ы1 + /V3 +Ы2~3 + М +Ы „ . (5)

вн вн вн ср тр I тр 2

где:

- N1 - ст .л -к2-уо - мощность внутренних сил в 1 -й зоне;

' 4-л/2

- дг г _ а . 'К о '0 ~ С0£ а ) - мощность внутренних сил во 2-й зо-

вН 5 ^

не;

-=сг$ -л[2-ж- -со$а - мощность внутренних сил в 3-й зоне;

»г2-з а, -л-У0 Я2 ■сова , ч

-"ср =---\~^а + Ь)). мощность сил среза;

-= -И,'■ уо' / = • <т, ■ У„ ■ (Ьв -§И)-Л~ . мощность сил тре-

0 £ 1

ния в 1-й зоне;

ф ж И. а

-Я„,2=-Р.'*.'К' \ =

0 180° * " 4 " '180

« - мощ-

ность сил трения во 2-й зоне;

- Уо - скорость перемещения пуансона; - коэффициент трения пластически деформируемого металла о матрицу; дк - ход пуансона.

Окончательно, полная мощность деформирования определим из выражения (6):

Полную силу деформирования определим по формуле:

Зависимость силы деформирования Р от хода пуансона 5Ь изображена на рис. 4.

Рис. 4. График зависимости силы деформирования от хода пуансона

Установлено, что для восстановления профиля провода марки МФ85 с 30 % износом до стандартных размеров требуется уменьшение длины провода на 3,3 мм за один ход инструмента. При этом расчетная сила деформирования составит 5,6 т.

Для оценки адекватности теоретического анализа напряженно-деформированного состояния металла в очаге пластической деформации реальным условиям теоретически рассчитаны траектории движения частиц металла в очаге пластической деформации.

Очаг пластической деформации трехмерный. Для расчета использовалась двухмерная проекция очага пластической деформации на плоскость Х7_, полученная его сечением плоскостью у = 0 (рис. 5).

я^-Л2 Л/2-л--Л2-(1-соа*) г- ы 4-72 3

8-Тз АУТ186 .

Рис. 5. Проекция очага пластической деформации на плоскость Х7, (у=0)

Выбирали ряд точек с номерами 0....4 и строили траекторию их движения. Точки с номерами 0, 1, 2 находятся в третьей зоне. Воспользовались уравнениями движения точек в этой зоне. В эти уравнения в качестве переменной входит угол а. Значение этого угла в третьей зоне при сечении ее плоскостью у = 0 изменяется от 20° до 90°.

Вычисляли текущие координаты XI, 7л точек 0, 1, 2 для следующих значений угла а: а = 30°, а = 45°, а = 90°. Соответствующие углу а значения Яг выбирали по графику, изображенному на рис. 3. Точки с номерами 3, 4 находятся в первой зоне. Для расчета траектории их движения воспользовались уравнениями движения точки в первой зоне.

Было проведено теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния металла вдоль траекторий движения выбранных точек, в результате получены формулы для расчета накопленной деформации материальной точки вдоль траектории движения.

Ниже приведены формулы для расчета накопленной деформации вдоль траекторий движения точки в первой и в третьей зонах соответственно:

где 2о и 2- начальная и конечная координата точки.

По этим формулам вычисляли накопленную степень деформации вдоль

траекторий движения точек 0.....6.

Для исследования распределения напряжения текучести вдоль траекторий движения выбранных точек <Зи применяли степенную аппроксимацию истинной кривой упрочнения:

ж , 2 ж . 2

(7)

е,

и

п

(8)

где: А=<т!-(\.+8)1гГ\ п = 1п(1 + ¿>); д - относительное удлинение при растяжении.

Для расчетов, в качестве примера, применяли следующие механические свойства изношенного контактного провода:

ств = 330 МПа, 8 = 7 % . В окончательном виде получаем расчетную формулу:

0 067

аи = 423 .3 • еи (9)

Подставляя в эту формулу величины значений накопленной деформации, рассчитанной выше для различных частиц металла напряженное состояние вдоль траекторий движения выбранных точек.

Полученные зависимости 1 -9 использовались при разработке методики расчета силы деформирования в зависимости от изменения технологических факторов; даны основные рекомендации для построения технологического процесса.

Таким образом, во второй главе были получены следующие аналитические зависимости:

-зависимость формоизменения заготовки в зависимости от хода пуансона;

-формулы для определения кинематически возможных скоростей деформаций и интенсивности кинематически возможных скоростей деформаций в каждой из зон;

-формулы для определения мощности сил среза, сил трения, внутренних сил;

-формулы для определения полной мощности деформирования; -формулы для определения силы деформирования от хода пуансона; -формулы для определения траектории движения частиц металла в очаге пластической деформации;

-уравнения для расчета накопленной деформации материальной частицы вдоль траектории движения;

-уравнения для расчета напряженного состояния вдоль траектории движения материальной частицы.

Полученные зависимости позволили установить размеры поперечного сечения профиля в процессе пластической деформации; определить напряженно - деформированное состояние вдоль траекторий движения частиц металла в очаге пластической деформации и на этой основе сформулировать техническое задание на проектирование оборудования.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование напряженно - деформированного состояния и кинематики течения металла в очаге пластической деформации. Для обоснования расчетной схемы очага пласти-

ческой деформации при теоретическом исследовании было проведено экспериментальное исследование формы и границ очага пластической деформации заготовки. В качестве метода исследования был применен метод координатной сетки.

Эксперименты осуществлялись на медных разрезных образцах, в качестве оборудования использовался гидравлический пресс П-6324 силой 1600 кН с силоизмерительным устройством типа БМГн1-160. На фотографиях деформированной координатной сетки (рис. 6) в местах ее перегиба строили границы очага пластической деформации.

Видно, что в очаге пластической деформации после полного заполнения профиля можно выделить две пластические зоны, внутри которых течение металла можно принять однородным. На недеформированной сетке, были выделены три характерные зоны, т. к. зона 3 является переходной зоной, и по мере заполнения матрицы перетекает в зону 2. Размеры 3-ей зоны уменьшаются до нулевых при полном заполнении матрицы, а размеры 2-й зоны увеличиваются.

Рис. 6. Фотография деформированной координатной сетки (справа) и недеформированной координатной сетки (слева)

Таким образом, зона 3 на фотографии деформированной координатной сетки не видна. На деформированной сетке замеряли размеры очага пластической деформации. Результаты анализа течения, формы и размеров очага пластической деформации позволяют сделать вывод о правильном построении расчетной схемы теоретического исследования процесса. Для оценки адекватности построенной модели очага пластической деформации реальным условиям протекания процесса деформирования проводились эксперименты с медными разрезными образцами, которые разрезали на две равные части относительно оси симметрии. На одну из меридиональных

плоскостей наносили квадратную сетку, образцы соединяли и деформировали. Эти опыты позволили определить изменение координат узлов меридиональной сетки, получить фотографии изменения размеров очага пластической деформации в продольном сечении.

Траектории движения точек 0, 1, 2, 3, 4 полученные экспериментально и рассчитанные теоретически имеют хорошую сходимость, максимальное расхождение составляет не более 8%. На основе проведенных экспериментальных исследований подтверждены границы очага пластической деформации, поэтому можно сделать вывод об адекватности реальным условиям теоретического анализа напряженно - деформированного состояния металла в очаге пластической деформации.

В четвертой главе описаны ход проведенного эксперимента по увеличению изношенного поперечного сечения медного контактного провода и экспериментальная установка, на которой был восстановлен изношенный контактный провод МФ85. На рис. 7 и рис. 8 показаны изношенные и восстановленные провода. При деформировании провода максимальная сила деформации составила - 5,2 т. Теоретически рассчитанная сила деформирования по формуле (6) составляет 5,6 т. при операции высадки; погрешность расчета составляет 5 %.

Рис. 7. Фото изношенного провода

^шшм

Рис. 8. Фото восстановленного провода с фрагментом площадки износа

11

Для проверки механических свойств восстановленного провода были проведены сравнительные эксперименты по определению микротвердости у стандартного и восстановленного проводов (рис. 9).

1 X 4 1 1 1 23 4 ' 1

N¿2 " 1в 2 \ а 21 ; ) М I) У 17 1« > 19 >8 / 2 2 \ а г г ) <9 »в / 2 3» 7 « 5 у 3

Г 10 3 \ » зв ав 77 : »23342» а/3 3 \ • 9

\ 4 • эв / » в4 / 1 — 4 4

Рис. 9. Схема расположения точек на поперечном сечении провода для измерения микротвердости на стандартном и восстановленном профиле (слева) и изношенном профиле (справа)

Результаты изменения микротвердости в разных точках поперечного сечения провода показаны графически для стандартного, изношенного и восстановленного проводов на рис. 10-12. Измерения проводились в точках сечений 1-1,2-2,3-3,4-4 и по периметру поперечного сечения.

Номер точки измерения N

Рис. 10. Значения микротвердости в точках сечения 1 - 1

В таблице 1 приведены значения соответствия точек находящихся на оси X (рис. 10) номерам точек согласно рис. 9.

Таблица 1

Соответствие точек измерения

N точки на графике 1 2 3 4 5 ¡6 7 |

N точки на рис. 9 2 13 14 | 15 16 | 17 12 1

Восстановленный провод

7

/

3 4 5 6

Номер точки измерения N

Рис. 11. Значения микротвердости в точках сечения 3-3

В таблице 2 приведены значения соответствия точек находящихся на оси X (рис. 11) номерам точек согласно рис. 9.

Таблица 2

N точки на графике 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I

N точки на рис. 9 5 23 24 25 26 27 28 29 9 1

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Номер точки измерения N

Рис. 12. Значения микротвердости в точках периметра

В сечениях 1-1 ,3-3, эти графики находятся примерно на одном уровне. Видно, что в сечении 1-12 у восстановленного провода точки измерения микротвердости лежат выше, чем у стандартного. Таким образом, в результате применения предложенной схемы напряженно-деформированного состояния в рабочей зоне восстановленного провода микротвердость повышается на 18%, по отношению к микротвердости этой же зоны у стандартного провода. Это говорит о правильно предложенной схеме деформации, так как в рабочей зоне контактный провод подвержен интенсивному истиранию и поэтому требуется повышенная твердость именно в этой части провода. Используя эмпирическую зависимость между деформацией и пределом прочности при растяжении для меди МО, определяли предел прочности при растяжении по формуле (10):

<ув = 25+ 1.5-г058 (Ю)

При расчетах принимаем 30 % деформацию, то (7в=35,78 кгс/мм2 У стандартного провода (ГОСТ 2584 - 86) предел прочности при растяжении равен 36,75 кгс/мм2. Погрешность расчетов не превышает 2%, поэтому, восстановленный провод по своим механическим свойствам соответствует требованиям ГОСТа.

При исследовании изношенного медного контактного провода было выяснено, что максимальный износ контактного провода составляет 30 % от его номинального сечения; распределение износа поперечного сечения контактного провода по длине провода равномерное, максимальное расхождение составляет 8 %, а минимальное значение предела прочности при растяжении у изношенного провода равно 30 кгс/мм2. Установлено, что у изношенного длинномерного профиля: предел прочности снижается на 20 %, а пластические свойства возрастают на 15-20 % по отношению к исходному профилю. По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложен способ восстановления изношенного сечения длинномерного профиля признанный изобретением (патент 2109591 РФ). На основе предложенного способа разработана и реализована новая технологическая схема восстановления длинномерного профиля методом пластической деформации. На экспериментальной установке практически реализован предложенный способ и тем самым доказана принципиальная возможность восстановления медного контактного провода МФ85 холодной пластической деформацией.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенный способ восстановления изношенного сечения длинномерного профиля позволяет получить исходные геометрические размеры и механические свойства

В пятой главе дан анализ конкурентноспособности предлагаемой технологии и продукции, описаны перспективы развития технологии увеличения поперечного сечения длинномерных профилей на примере контактного провода; разработан алгоритм и методика определения силовых и кинематических параметров технологического процесса увеличения поперечного се-

чения изношенного длинномерного профиля; изучено влияние технологических факторов на силу деформации. Установлено, что сила деформации уменьшается на 10,7 % при увеличении коэффициента трения по матрице с

0.005.до 0,5 и, следовательно, необходимо стремиться к созданию условий максимального трения в полуматрицах. Выяснено, что увеличение высоты очага пластической деформации приводит к росту силы деформирования с одной стороны, с другой - увеличивает производительность машины. Рекомендуемое значение этой величины равно 12 мм. Разработанный алгоритм проектирования технологического процесса увеличения поперечного сечения длинномерного профиля и методика расчета основных технологических факторов применяется на ОАО «Арнест» (г. Невинномысск) при проектировании и изготовлении установки по восстановлению контактного провода.

Общие выводы.

1. Установлены функциональные взаимосвязи между условиями износа длинномерного профиля и их влиянием на технологические и эксплутацион-ные характеристики, что позволило определить изменение механических свойств изношенного длинномерного профиля: предел прочности снижается на 20 %, а пластические свойства возрастают на 15-20 % по отношению к исходному профилю.

2. По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложен способ восстановления изношенного сечения длинномерного профиля признанный изобретением (патент 2109591 РФ). На основе предложенного способа разработана и реализована новая технологическая схема для восстановления длинномерного профиля методом пластической деформации на примере контактных проводов марок МФ85, МФ100.

3. Установлены закономерности течения металла в очаге пластической деформации, заключающиеся в определении границ очага деформации и напряженно-деформированного состояния. Установлено, что высота очага пластической деформации равна ходу деформирования. Рекомендуемое значение этой величины - 12 мм.

4. Разработаны физическая и математическая модели процесса восстановления длинномерного профиля, на основе которых выполнен анализ напряженно - деформированного состояния очага деформации. Установлено, что для восстановления профиля провода марки МФ85 с 30 % износом до стандартных размеров требуется уменьшение длины провода на 3,3 мм за один ход инструмента. При этом расчетная сила деформирования составит 5,6 т.

5. Разработан алгоритм и методика определения силовых и кинематических параметров технологического процесса увеличения поперечного сечения изношенного длинномерного профиля.

6. Результаты работы в виде технологической схемы и методики проектирования технологических параметров процесса используются на ОАО «Арнест» (г. Невинномысск, завод по производству алюминиевых баллонов) при разработке установки по восстановлению контактного провода.

Основное содержание диссертации отраженно в следующих работах:

1. Колесников А. Г., Румянцев А. Н., Орехов Д.А. Реновация контактных проводов // Инженерный бизнес и защита окружающей среды: Сб. тезисов докладов Международного научно - практического семинара. -Варна, 1996.-С.38.

2. Колесников А.Г., Румянцев А.Н., Орехов Д.А. Реновация контактных проводов // Тяжелое машиностроение. - 1996. - № 10. - С.38 .

3. Колесников А. Г., Орехов Д. А., Румянцев А. Н. Исследование механических характеристик контактного провода // Машиностроитель. -1997. - № 4. - С.41.

4. Колесников А. Г., Румянцев А. Н., Орехов Д. А. Реновация контактных проводов // Тяжелое машиностроение. - 1997. - № 6. - С.24-25.

5. Колесников А. Г., Румянцев А. Н., Орехов Д. А. Оценка силовых параметров процесса восстановления сечения изношенного контактного провода пластическим деформированием // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Машиностроение - 1997. -№ 4. - С.28-33.

6. Патент 2109591 (РФ). «Способ восстановления изношенного сечения контактного провода из меди»/ А.Г. Колесников, Д.А. Орехов, А.Н. Румянцев //Б.И.-1998.-№12

7. Колесников А. Г., Колобов А. А., Румянцев А. Н. Экономическое обоснование способа реновации изношенного контактного провода // Машиностроитель. - 1998.-№ 11-12,- С.52-53.

Подписано к печати 23.01.06г. Заказ №6 Объем 1.0 п. л. Тираж 150 Типография МГТУ им. Н. Э. Баумана

¿2 6 0 0 0

РНБ Русский фонд

2006-4 29700

ф Условные обозначения.

Введение.

1. Анализ методов производства и увеличения поперечного сечения длинномерных профилей.

1.1 Обзор методов получения длинномерных профилей. ft 1.2 Обзор существующих способов увеличения поперечного сечения длинномерных профилей.

1.3 Обзор способов восстановления длинномерных профилей.

1.4 Новый способ увеличения поперечного сечения длинномерных 21 • профилей

Цель и задачи исследований.

2. Теоретические исследования напряженно - деформированного 25 состояния процесса увеличения поперечного сечения длинномерных профилей.

2.1 Методы исследования свойств длинномерных профилей.

2.2 Геометрическая модель очага пластической деформации.

2.3 Расчетная схема и принятые допущения.

2.4 Определение кинематического состояния в очаге деформации.

2.5 Формоизменение заготовки и силовой режим деформирования.

2.6 Теоретическое исследование траекторий движения частиц 49 * металла в очаге пластической деформации.

2.7 Теоретическое исследование напряженно-деформированного 54 состояния металла вдоль траекторий движения выбранных точек

Выводы к главе

3. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного 58 состояния и кинематики течения металла в очаге пластической деформации.

3.1 Экспериментальное исследование очага деформации.

3.2 Определение траекторий движения частиц металла в очаге 61 пластической деформации и сравнение с результатами теоретического расчета.

Выводы к главе

4. Восстановление контактного провода М85 на лабораторной установке.

4.1 Влияние условий эксплуатации на характеристики контактного провода и анализ причин, приводящих к его износу. ф 4.2 Исследование свойств медного изношенного провода.

4.3 Пластическое деформирование медного контактного провода на экспериментальной установке.

4.4 Исследование свойств восстановленного провода.

Выводы к главе 4 92 5. Разработка рекомендаций по проектированию процесса увеличения поперечного сечения длинномерных профилей.

5.1 Алгоритм проектирования технологического процесса увеличения поперечного сечения длинномерного профиля.

5.2 Анализ конкурентноспособности предлагаемой технологии и ф продукции.

5.3 Перспективы развития технологии увеличения поперечного сечения длинномерного профиля.

5.4 Выводы к главе 5.

Несмотря на перераспределение пропорций среди конструкционных материалов и увеличения доли пластмасс, металлы все еще остаются основными материалами для современного машиностроения.

Содержание различных металлов в земной коре неравномерно и они могут быть условно распределены по этому признаку на следующие группы (рис. В.1):

1. наиболее перспективные для добычи и переработки - алюминий 8,05% и железо 4,65%;

2. распространенные, но не нашедшие самостоятельного применения -кальций 2,6% и калий 2,5%;

3. перспективные и часто применяемые - магний 2,4% и титан 0,45%;

4. малораспространенные, но крайне необходимые - от марганца 0,1% до меди 0,005%;

5. редкие элементы, содержание которых в земной коре менее 0,005% вольфрам, молибден, ниобий, кобальт, олово и др.

0,45 0,1 СДГОБ" содержание, % алюминий Ш железо кальций калий магний титан марганец медь

Рис. В.1. Процентное содержание металлов в земной коре [37]

Из приведенных данных видно, что среди металлов главенствующее положение по возможностям производства и по значению для использования в машиностроении, несомненно, занимают алюминий и железо. Вместе с тем, наличие в земной коре перспективных конструкционных металлов, таких, как магний и титан, явно недостаточно для их широкомасштабного использования, а металлов с уникальными свойствами, таких как медь, обуславливающих существование электротехнической промышленности, угрожающе мало; редкоземельные металлы вообще не имеют долгосрочной перспективы и нуждаются в замене. Поэтому, в связи с непрерывным истощением рудных запасов, особое внимание должно быть обращено на технологии, позволяющие экономно расходовать существующие ресурсы полезных ископаемых и рационально использовать полученные материалы для нужд промышленности. Академик А. И. Целиков отмечал: ". главное, на что должно быть обращено внимание в развитии производства и потреблении металлов, - развитие их производства в соответствии с имеющимися рудными запасами и возможно более экономное расходование этих богатств" [32].

Современная промышленность производит большое количество длинномерных профилей разнообразных поперечных сечений. В дальнейшем эти профили применяются как заготовки для последующих переделов, так и в качестве готовых изделий (рельсы, контактные провода, различного рода направляющие). В процессе эксплуатации длинномерные профили интенсивно изнашиваются. При этом их поперечное сечение уменьшается и при достижении предельных значений они подлежат замене на новые. В дальнейшем длинномерные профили используется только в качестве лома при вторичной переработке металлов. Вместе с тем, они уже обладают необходимым набором химических, физических и механических свойств, достигнутых ранее на этапе металлургического передела, и их использование в качестве лома является экономически неоправданным.

В связи с этим, актуальной проблемой является изыскание практических методов, позволяющих, экономно распорядится изношенными длинномерными профилями.

Настоящая работа, направленная на разработку метода увеличения поперечного сечения изношенных длинномерных профилей, выполнена в рамках конкурсного гранта Госкомитета РФ по высшему образованию и является частью исследований, проводимых на кафедре "Технология и оборудование прокатки" МГТУ им. Н. Э. Баумана.

В работе представлено теоретическое и экспериментальное обоснование нового способа восстановления изношенного длинномерного профиля со сложным поперечным сечением методом пластического деформирования.

На основе энергетической теории обработки металлов давлением методом верхней оценки проведен анализ напряженно-деформированного состояния в очаге пластической деформации, получены зависимости для расчета энергосиловых и деформационных параметров процесса деформирования длинномерного профиля на примере контактного провода МФ - 85, разработана методика расчета технологических параметров процесса восстановления изношенного сечения длинномерного профиля.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований изменения механических свойств длинномерного профиля в процессе деформационного восстановления;

- разработанные физическую и математическую модели деформирования длинномерного профиля;

- способ увеличения поперечного сечения длинномерного профиля методом пластического деформирования;

- методика расчета энергосиловых, кинематических и технологических параметров процесса восстановления длинномерного профиля.

6. Результаты работы в виде технологической схемы и методики определения технологических параметров процесса используются на ОАО

Арнест» (г. Невинномысск, завод по производству алюминиевых баллонов) при разработке установки по восстановлению контактного провода.

1. Берент В. Я. Классификация дефектов и повреждений контактных проводов электрофицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1974. - 74 с.

2. Щ. Структура и свойства медных контактных проводов в условиях эксплуатации / Берент В. Я. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1973. - №8. -с. 50-55.

3. Правила содержания контактной сети электрофицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1972. - 160 с.4.3агоруйко И. Ф. Погрешности измерения износа контактного провода от кривизны рабочей поверхности // Труды ВНИИЖТ. 1972. - Выпуск 473. - С. 34 - 38.

4. Купцов Ю. Е. Рекристаллизация меди контактного провода и оценка его безотказности при различных токосъемных вставках // Труды ВНИИЖТ. 1968. -Выпуск337. - С. 6-11.

5. Купцов Ю. Е. К нормированию расхода контактного провода для ремонтно -эксплуатационных нужд железных дорог // Труды ВНИИЖТ . 1972. -Выпуск473. -С. 4-14.

6. Теория пластических деформаций металлов / Под редакцией А. Г. Овчинникова, Е. П. Унксова. М.: Машиностроение, 1983. - 599 с.

7. Т. Onho. On contact wire wear. // Mechanical Engineering Journal. 1975. - T. 25. - № 10-C. 32-36.

8. M. Akio. On wear of material used for manufacture of current transfer systems. // Mechanical Engineering Journal. 1979. - T. 55. - №4. - c. 96 - 102.

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

10. Ковка и штамповка: Справочник. В 4 х т. / Ред. совет: Е. И. Семенов (пред.) и др.- М.: Машиностроение, 1987. Т. 3 - Холодная объемная штамповка / Под ред. Г. А. Навроцкого, - 384 с.

11. Ковка и штамповка: Справочник; В 4 х т. / Ред. совет: Е. И. Семенов (пред.) и др.- М.: Машиностроение, 1985 Т - Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка / Под ред. Е. И. Семенова, - 568 с.

12. Овчинников А. Г. Основы теории штамповки выдавливанием на прессах. М.: Машиностроение, 1983 .-200 с.

13. Шофман Л. А. Основы расчета процесса штамповки и прессования. М.: Машгиз, 1961.-340 с.

14. Шофман J1. А., Перлин П. И. Методика теоретического анализа процессов обработки давлением жестко пластического тела // Кузнечно - штамповочноепроизводство. 1959. - № 4. - С. 4 -10.

15. Овчинников В. И. Исследование пластического течения металла в процессах объемной штамповки: Дис. канд. техн. наук: 05. 03.- 05. М., 1974. - 126 с.

16. Славов Н. С. Исследование процессов холодного нессиметричного выдавливания: Дис. техн. наук: 05. 03. 05. -М., 1976. 196 с.

17. Евстратов В. А. Теория обработки металлов давлением. Харьков: Виша школа, 1981.-248 с.

18. Теория обработки металлов давлением (Вариационные методы расчета усилий и деформаций) / Под ред. И. Я. Тарновского. М.: Металлургиздат, 1963. - 672 с.

19. Тарновский И. Я., Поздеев А. А., Гонаго О. А. Деформации и усилия при обработке ® металлов давлением. М. - Свердловск: Машгиз, 1959. - 305 с.

20. Кроха В. А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. М.: Машиностроение. 1968. - 131 с.

21. Полухин П. И., Гун Г. Я., Галкин А. Н. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

22. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике (для инженеров и учащихся ВУЗов). М.: Наука, 1986. - 287 с.

23. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 356 с.

24. Колмогоров В. JI. Механика обработки металлов давлением: Учебник для вузов.ф М.: Металлургия, 1986. 688 с.

25. Шестаков Н. А. Энергетические методы расчета процессов обработки металлов давлением: Учебное пособие. -М.: МГИУ, 1998. 125 с.

26. Купцов Ю. Е. Увеличение срока службы контактного провода. М.: Транспорт, 1972.160 с.

27. Берент В. Я. Структурные изменения поверхности трения контактных проводов и пластин пантографов // Труды ЦНИИ МПС. 1964. - Выпуск 277. - С.144-158.

28. Справочник химика /Под ред. Б.П. Никольского JI.-M.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1963. - 1071с.

29. Щ>2.Целиков А.Н. Основы теории прокатки. М.: Металлургия, 1965. - 247с.

30. ЗЗ.Либенсон Г. А. Производство спеченных изделий. М.: Металлургия, 1982. - 256 с.

31. S. Akura. Basic reasons of contact wire local wear. // Mechanical Engineering Journal.a1975.-т. 25 № 10-стр. 2-9.

32. Решетов Д. H. Детали машин.- М.: Машиностроение, 1989. 496с.

33. Никифоров В. М. Краткий курс технологии металлов.- М.: Машгиз, 1960. 368с.

34. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого. JL: Энергоатомиздат, 1988. - Т.З - 728 с.

35. Буше Н.А., Гершман В.И. Газодинамический способ напыления медного порошка на изношенную поверхность контактного провода. положительное решение о• выдаче патента № 940018548/02, 1995.

36. Зарубин В. С., Овчинников А. Г. Механика процессов ковки и штамповки. М.: МГТУ, 1992.- 162 с.

37. Справочник по конструкционным материалам / Под ред. Б. Н. Арзамасова М., Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 640 с.

38. М. Amiboshi. Contact wire harmonic wear: characteristics and reasons. // Mechanical Engineering Journal. 1979. T. 55. - № 2. - с. 1 - 4.

39. К. Т. Черноусова, А. В. Новиков. Об электросопротивлении бескислородной меди. // Труды института ядерной физики Академии наук Казахской ССР. 1969. - Т. 10. С. 18-21.

40. Патент Японии № 4257370 кл. 13 (7) D 61, 1971.

41. Биллигман И. высадка и другие методы объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1960. - 247с.

42. С.И. Губкин. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1947. -532с.

43. Теория прокатки/ Под редакцией А.И. Целикова. М.: Металлургия, 1982. - 336с.

44. Справочник металлиста /Под ред. А. Н. Малова М.: Машиностроение, 1977. - 750 с.

45. Патент 2109591 (РФ). «Способ восстановления изношенного сечения контактного ® провода из меди»/ А.Г. Колесников, Д.А. Орехов, А.Н. Румянцев // Б.И.-1998.-№12