автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка технологии штамповки электротехнических изделий из бескислородной меди на основе физического и математического моделирования процессов комбинированного нагружения

^Моск^ский государственный институт стали и сплавов ^ (Технологический университет)

\

Па правах рукописи

КРОПОТОВ Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ ИЗ БЕСКИСЛОРОДНОЙ МЕДИ НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОМБИНИРОВАННОГО НАГРУЖЕНИЯ

Специальность 05.16.05 — «Обработка металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в проблемной научно-исследовательской лаборатории деформации свсрхплагтнчных материалов Московского государственного института стали и сплавов.

Научные руководители: член-корр. РАЕН, проф., д. т. н. О. М. СМИРНОВ, с. н. е., к. т. и. А. Н. ЕРШОВ.

Официальные оппоненты: проф., д. т. и. ГАЛКИН А. М. МИСиС, к. т. и. МАРИНИН С. Ф. НПО «Композит».

Ведущее предприятие: ОАО «Кольчугинский завод по обработке цветных металлов им. С. Орджоникидзе».

Защита диссертации состоится « /Г» //. 1998 года

в 10 часов на заседании диссертационного совета К.053.08.02 в Московском государственном институте стали и сплавов но адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан « 1998 года.

Справки по телефону: 955-01-79.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических паук Н. А. ЧИЧЕНЕВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Применение металлов в приборах электротехнической и электронной промышленности предъявляет к ним ряд специальных требований, таких как высокая тепло- и электропроводность, немаг-нитность, вакуумная плотность, малое содержание примесей, хорошая обрабатываемость давлением и резанием, относительная недефицитность.

Из материалов, наиболее полно отвечающих данным требованиям, получивших наибольшее распространение и имеющих тенденцию дальнейшего расширения области применения, можно выделить бескислородную медь. В настоящий момент бескислородная медь производится в России, странах СНГ, США, Италии, Японии, Финляндии, ФРГ, Югославии и ряде др.

Традиционные технологии производства ряда электротехнических изделий из бескислородной меди, в том числе электротехнических контакторов вакуумной коммутирующей аппаратуры, как правило, включают: механическую обработку, сварку и пайку, что связано со значительными энергозатратами, трудоемкостью изготовления и низким коэффициентом использования металла. Данные статьи затрат являются основными в себестоимости готовых изделий. Более широкое распространение данного типа коммутирующей аппаратуры, по сравнению с масленными и газовыми контакторами, объясняется их более высокой надежностью и долговечностью и предполагает увеличение спроса и расширение области применения их и соответственно номенклатуры. В связи с этим, переход от традиционной технологии производства контакторов методом механической обработки и пайки в вакууме с использованием дорогостоящего оборудования и серебряного припоя на более дешевые и производительные технологии, включая технологии обработки металлов давлением (ОМД), является актуальной научно-технической задачей.

*

Применение ОМД обеспечивает более высокий уровень эксплуатационных свойств изделий, что подразумевает высокие прочностные свойства при высокой электропроводности, исключение насыщения меди кислородом воздуха и элементами смазки при повышенной температуре обработки давлением.

Успех реализации любого технологического процесса деформирования металлов зависит от правильного выбора и соблюдения термомеханического режима формоизменения, т.е. определенного сочетания параметров температуры, скорости, деформации и контактных условий. Выбор оптимального термомеханического режима деформирования требует значительных материальных затрат и времени, поэтому наиболее целесообразным представляется проведение предварительных исследований методами физического и математического моделирования. Подбор модельного материала и построение корректной математической модели зачастую являются определяющими в выборе оптимального термомеханического режима и схемы нагруження.

Решению части данных вопросов посвящена настоящая диссертационная работа, в которой содержится новое решение актуальной научно-технической задачи разработки технологических режимов штамповки изделий из бескислородной меди в условиях сложного термомеханического нагружения на основе комплексного экспериментально-теоретического исследования.

Настоящая работа является частью комплекса исследований по разработке основ теории и технологии процессов сверхпластического деформирования, проводимых Московским государственным институтом стали и сплавов в соответствие с госбюджетной научно-исследовательской работой «Создание основ реологии перспективных конструкционных материалов в условиях сложного термомеханического воздействия».

Работа выполнена при научной и методической консультации в.н.с., к.т.н., с.н.с. М.А.Цепина.

Цель и задачи работы: Целью настоящей работы является исследование и разработка комплексной технологии получения поковок из бескислородной меди с относительно большими площадями поперечного сечения высаживаемой части. При этом решались следующие задачи:

- исследование реологических свойств бескислородной меди МООб;

- подбор и исследование реологических свойств модельных материалов, наиболее соответствующих по своим реологическим параметрам меди МООб, и физическое моделирование на их основе процессов штамповки осесимметричных поковок во вращающихся бойках;

- создание механико-математической модели, описывающей процесс осадки во вращающихся бойках, и разработка на ее основе пакета программ, моделирующего вышеуказанные процессы;

- разработка конкретных технологических вариантов штамповки контакторов для электротехнической промышленности из бескислородной меди МООб.

Научная новизна:

- предложена математическая модель процесса осесимметричной деформации с вращением инструмента на контактной поверхности, учитывающая реологические характеристики материала;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований процессов осадки и штамповки исследуемых материалов при одноосном на-груженни и с вращающимся штамповым инструментом установлены характеристики напряженно-деформированного состояния и определены рациональные режимы их деформирования, выбраны технологические схемы и режимы полугорячей деформации бескислородной меди;

- на основе усовершенствованной методики компьютерного моделирования и расчета режимов процессов объемной штамповки осесиммет-

ричных. деталей с помощью известного пакета прикладных программ «БРЕЕЫ-З» определены особенности технологических процессов штамповки и комбинированного нагруження, учитывающие влияние дополнительной сдвиговой деформации на картину течения металла, характеристики напряженно-деформированного состояния и энергосиловые параметры процесса.

Пракп нческая значимость: Разработана и прошла опытно-промышленное опробование технология штамповки контакторов из бескислородной меди для изделий электротехнической промышленности, технология предложена для внедрения в промышленное производство.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 52-ой научной конференции молодых ученых и студентов МГИСиС, г. Москва, 1998 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 печатные работы.

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 11 таблиц, библиографический список на 94 наименований и приложения.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящей работе физическое моделирование процессов штамповки с кручением проводили с целью исследования основных закономерностей процессов течения металла в полости штампа, для оптимизации схемы деформирования и изучения влияния крутящего момента на энергосиловые и кинематические параметры процессов как при пластическом, так и при вязкопластнческом состоянии. При этом для моделирования поведения основного натурного материала - бескислородной меди, использовали такие модельные материалы, как: пластилин, технически чистый свинец и сплав

олова со свинцом эвтектического состава (5п-38%РЬ). В качестве основного исследуемого натурного материала была выбрана электротехническая бескислородная медь марки МООб. Это было обусловлено тем, что этот материал является основным для контакторов в электротехнической промышленности. Кроме того, выбор материала определялся требованиями заказчика - ТОО «Таврида Электрик» , который обеспечивал поставку исходных материалов и определял технические требования к геометрическим и физико-механическим характеристикам готовых изделий.

Для исследования реологических свойств материалов, в зависимости от исследуемого материала, выбрали две методики исследования. Это испытания на ползучесть, проведенные для образцов из пластилина, и осадка с различными скоростями деформирования, проведенные для образцов из свинца, меди МООб, и сплава 5п-38%РЬ. Испытания на ползучесть были применены в связи с малыми деформирующими усилиями, которые было достаточно сложно определять при испытаниях с фиксированными скоростями деформирования.

Испытания на ползучесть проводили на специально сконструированной лабораторной оснастке, представляющей собой две параллельные стальные плиты, соединенные между собой двумя направляющими, причем одна из плит (верхняя) могла перемещаться по направляющим свободно. Набором дополнительных грузов, устанавливаемых на подвижной плите, обеспечивали изменение осевой нагрузки. Так как у пластилина проявляется высокая чувствительность напряжения течения от температуры испытания для всех образцов при испытании, как на определение реологических показателей, так и при осадке с кручением и штамповке, поддерживалась постоянная температура в зоне деформации в 18*0-5 °С. Для этих целей оснастку с образцами помещали на 2-3 часа в термостат.

Штамповая оснастка, используемая для определения реологических свойств свинца и сплава 5п-38%РЬ, состояла из двух бойков с чистотой по-

верхности 1.6, •установленных на универсальной испытательной машине ZD-10/90. Для уменьшения влияния сил контактного трения осадка образцов велась с использованием двойных полиэтиленовых прокладок.

Исследование реологических свойств образцов из бескислородной меди производили при разных температурах испытания на испытательной машине УМЭ-10ТМ, в штамповой оснастке, помещенной в изотермический блок и позволяющей поддерживать постоянное температурное ноле образцов в течение всего процесса деформирования.

Для исследования влияния комбинированного нагружения на параметры штамповки была сконструирована специальная штамповая оснастка (рис.1.) для испытательной машины ZD-10/90.

Изменение скорости осевого деформирования обеспечивалось техническими возможностями испытательной машины, а для варьирования величины приложенного крутящего момента использовали различные по массе грузы и систему блоков, создающих соответствующий крутящий момент на подвижном (вращающемся) нижнем бойке. Для расчетов формоизменения и энергосиловых параметров процессов штамповки с кручением использовали метод конечных элементов в постановке А Н. Скороходова и E.H. Чумаченко, реализованных в пакете прикладных программ «SPLEN-S». Модификация .пакета и методики расчета позволила контролировать характеристики напряженно-деформированного состояния (НДС), анализировать формоизменение и рассчитывать режим давления с учетом влияния приложенного крутящего момента и фиксировать характеристики закручивания и энергосиловые параметры процесса при наложении крутящего момента. Использование постпроцессора позволяло квалифицированно решать вопросы проектирования штам-пового инструмента и выбора оптимальной заготовки, а информация режима графического дисплея при расчете и применение постпроцессора

, Р

Рис. 1. Схема штамповой оснастки для исследования влияния крутящего момента на параметры штамповки при комбинированном нагружении

1- траверса реверсора верхняя (испытательной машины ¿И-10/90); 2 - болт; 3- боек рифленый верхний; 4- боек рифленый нижний; 5- прокладка с нанесенной шкалой деления; 6- диск;7 - подшипник опорный; 8 - пята опорная; 9- траверса реверсора нижняя; 10- фиксатор; И - соединение болтовое

обеспечивали возможности оперативного анализа характеристик НДС и определения режима давления и закручивания.

Апробацию и отладку программы производили путем сравнения полученных путем вычисления данных характеристик НДС и кинематики течения деформируемого объекта с данными, полученными методами физического моделирования процессов осадки с приложением и без приложения крутящего момента на пластилине, свинце и сплаве олово-свинец эвтектического состава как в плоских рифленых бойках, так и в штамповой оснастке для производства контакторов из бескислородной меди, Благодаря полученным результатам, был выбран оптимальный технологический

процесс производства контакторов с предварительным математическим моделированием. Полученные таким образом характеристики НДС и кинематики процесса легли в основу проектирования штамповой оснастки для получения опытно-промыыленной партии контакторов из бескислородной меди М006, выбора исходного размера заготовки, основного технологического оборудования и оптимального энергосилового режима деформирования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ОСАДКИ С КРУЧЕНИЕМ

На основании экспериментальных исследований на осадку с постоянной скоростью перемещения и испытаниях на ползучесть были определены реологические параметры уравнения состояния пластилина (т=0,193, п*0), свинца (т=0,051, п=0,36) и сплава Бп-38%РЬ (т=0,323, п=0,228).

Для бескислородной меди М006 показано, что приемлемой температурой для изотермического деформирования меди М006 является температурный диапазон 450-500 °С (рис.2 ), при котором происходит изменение механизма деформации, связанного с изменением величины энергии активации, в тоже время, медь является достаточно пассивной к насыщению кислородом воздуха и элементами смазки.

При использовании комбинированного нагружения у пластичного материала осевое усилие деформирования под действием крутящего момента уменьшается на 40-60 % при всех значениях деформации независимо от скорости деформации, в то время как у сверхпластичного материала при увеличении величины прикладываемого крутящего момента осевое усилие деформации снижается на 20-40 %, причем на ранних стадиях деформации это снижение более интенсивно.

Степень уменьшения осевого давления с увеличением крутящего момента зависит от двух факторов: реологического состояния материала и

я 100 V

ег о

и

Ш

Е

к! ю

о.

Рис.2. Влияние температуры испытания на напряжения течения бескислородной меди МООб

степени деформации. Уменьшение осевого давления тем слабее, чем больше степень деформации и чем сильнее проявляется сверхпластическое поведение материала. Это может быть объяснено изменением относительной глубины проникновения сдвиговой деформации в тело образца в результате воздействия крутящего момента.

РАЗРАБОТКА МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ШТАМПОВКИ С КРУЧЕНИЕМ

Известные теоретические решения задач ОМД при штамповке с крученнем получены путем приближенного анализа уравнений равновесия в начальный момент времени без учета скорости движения инструмента, формообразования заготовки и др. Полученные результаты дают только приближенную оценку энергосиловых параметров, в основном при осадке с кручением. В связи с этим была разработана методика расчета формоизменения заготовки и энергосиловых параметров процесса штамповки с кручением*', которая позволяет определить неоднородное напряженно-

*) - Постановка задачи и выбор метода ее решения выполнены под руководством и при участии проф., д.т.н. Е.Н.Чумаченко

бв«р(3.45[1/СН-273)]) „ря1с450 ).97ехр (0.3011/СН-273)]) при 1»450 °С

ЛГ. _/1.06Схр(3.57[1/(Н-273)]) при (>500 °С

*—л? — I г' '(81.64 ехр(0,34[1/(1+273)))пр«1<500 °С

10 1.3 1.0 1.в 2.0 2 3 2.в 2.в 3.0 3,2

Обратная температура. 1/К ■ 10'

о.в

5

деформированное состояние заготовки при штамповке с учетом графика изменения угловой скорости инструмента, реальных механических свойств материала заготовки и т.п.

В осесимметричной задаче рассматривается тело, ограниченное поверхностью вращения, ось которого совпадает с осью у . Если допустить,что все смещения происходят в плоскостях, проходящих через ось тела, и одинаковы во всех таких плоскостях, т.е. не зависят от координаты ф, то компоненты тензоров напряжений и скоростей деформации так же не зависят от угла ф. Таким образом, имеем 4 у ~/\{х,у)\ (Ту =/г{х,у). В этом случае соотношения Коши примут вид (1), где х и у - радиальная и осевая координаты точки; их и иу - скорости перемещения в соответствующих направлениях; - скорость перемещения в направлении вращения и скорости деформаций

дии

ди.

х . дх '

<р и*.

дх 1 X

дих

ду Т , дх

ду

ду '

£ = —-• £ = —• £ = " дх ' ^ х '

ди_ и

1УЛ л,

I 0)

Несмотря на то, что поставленная .задача является трехмерной, можно, используя полуаналитический метод решения, свести ее к двухмерной, т.е. предположить, что прямая на плоскости кручения в элементарном слое после приложения крутящего момента остается кривой на криволинейной поверхности, в которую переходит плоскость после закручивания. В этом случае скорости перемещения точек заготовки в процессе деформирования на поверхности кручения изменяются линейно (рис.3.). Такое допущение

ПРИЛИПАНИЕ

ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕ

V. =Ь

Рис.3. Эпюры изменения скоростей перемещений на торцевых и боковых поверхностях деформируемой заготовки при приложении крутящего момента.

можно считать достоверным для деталей с малыми значениями отношения высоты Н к диаметру О. В этом случае величины скоростей перемещений можно вычислить, исходя из граничных условий. Запишем:

и = Ах + Ву + Сху, (2)

где Л, В, С, - искомые константы.

При этом должны выполняться следующие граничные условия:

= й)2х,,

и„ =0.

(3)

где со|, (о2 -угловые скорости верхнего и нижнего штампов, соответственно.

Считая, что девиаторы напряжений с?,, и скоростей деформации пропорциональны, запишем:

а„ = сгу - о5ч;

(4)

где сти - интенсивности напряжений и скоростей деформаций соответственно;

ст, шаровые части тензоров напряжений и скоростей деформаций соответственно; 8у - символ Кронекера. Из уравнения (4) получаем соотношения СТи = Зц и Оу - СТ-6у = 2/3-СТи/Е,и - £-8у),

где — — • ^а. - эффективная вязкость материала;

Примем, что шаровые части тензора напряжений ст и тензора деформации Э связаны между собой законом Гука:

сг = К в = К \6dt-,

а для малого шага по времени справедливо выражение О — К А10, где К - коэффициент жесткости материала. Так как необходимо учитывать накапливающееся гидростатическое давление на последующих, после первого шагах, запишем:

О- = К \6clt = к

\6clt + + \tidt

= от* + км„-дп

ст* =

1 = 0

Окончательно получим:

/

И

ди,

дх ,

ди

■ +

дх.

+

КМ - —ц\д + о'

5<г (5)

Для численного решения системы (5) использовали метод конечных элементов в постановке А.Н.Скороходова и Е Н.Чумаченко. Выбор достаточно малых скоростей перемещений или нагрузки в этой системе позволяет свести исходную нелинейную задачу к некоторой последовательности упругих задач за счет линеаризации соотношения ои - на каждом шаге нагружения.

В начальный момент времени напряжения и скорости деформаций равны нулю. На систему (5) накладываются граничные условия на контактной и свободной поверхностях. Методика удовлетворения граничных условий, не нарушающая симметрии матрицы жесткости, основана на использовании формулы А.И.Леванова и описана в работах в применении к МКЭ. Предложенная методика расчета формоизменения заготовки и энергосиловых параметров процесса штамповки с кручением была реализована с использованием базового пакета программ для решения задач обработки давлением на основе метода конечных элементов БРЬБЫ-Б (разработчик Е Н. Чумаченко). Результаты счета программы на примере пластилина, свиица и сплава 8п-38%РЬ показали полное соответствие экспериментальных и расчетных значений энергосиловых параметров штамповки как с приложением, так и без приложения крутящего момента, что может говорить о корректности решения поставленной задачи.

Обобщенный анализ полученных результатов математического мо-

где

<т

J

делирования (табл.1.) показывает, что при относительно неизменных средних значениях напряженного состояния образцов при приложении крутящего момента происходит рост неравномерности напряжений и деформаций при значительном росте интенсивности деформаций, благодаря сдвиговой составляющей.

Установлено, что благодаря сдвиговой деформационной составляющей, картина течения металла меняется существенно не только по поверхности штампа (рост интенсивности деформаций и скоростей деформации в прнконтактных слоях), но и во всем объеме образца (значительно уменьшается зона затрудненной деформации).

На основании анализа энергосиловых параметров процесса и характеристик НДС показано, что схема деформирования с кручением становится наиболее благоприятной при штамповке поковок с относительно развитой контактной поверхностью.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ШТАМПОВКИ ЗАГОТОВОК

КОНТАКТОРОВ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕДИ МООб

В качестве объекта исследования были выбраны поковки электротехнических контакторов вакуумной коммутирующей аппаратуры. Поковки данного типа отличаются тем, что имеют значительную площадь головки контактора. Особенностью изготовления и эксплуатации детали контактора являются проточки, рассекающие головку контактора под углом к продольной оси, с целью закручивания коммутирующего тока. Данное исполнение контактора повышает срок его эксплуатации и позволяет повысить уровень критического тока. Для производства данного типа поковок были выбраны две схемы деформирования: высадка и выдавливание. При моделировании операций высадки сравнивали две схемы: простую высадку и высадку с приложением крутящего момента на заключительной стадии штамповки (приложение крутящего момента на начальной стадии

Таблица 1

Усредненные показатели влияния крутящего момента на параметры штамповки модельных материалов

при математическом моделировании

Ч Изменяемый Поля гидроста- Поля интенсивно- Поля интенсивно- Поля интенсивно- Работа деформаций

^^ параметр тического дав- сти напряжений сти деформаций сти скоростей де-

ч! ления формаций

Модельный4-. А Б А Б А Б А Б В Г Д

материал

Пластилин 6=24% « № +30% 1,6 +30% 1.7 +30% 1.6

£=48% ж +65% 3,5 +55% 1.8 +80% 1,8

РЬ е=20,5% й * м 2,0 + 190% 2.0 + 10% 1,8

6=41,3% -20% 1,8 к 5,4 + 150% 2,5 +7% 1,9 158 94 64

5п-38%РЬ 6=27,7% +20% 2.1 +5% 3,4 +220% 2.4 + 10% 2,9

6=55,3% + 10% 1.8 * 1,5 + 190% 3,3 +4% 1,4 283 74 209

Примечание:

А - Изменение величины, («+» - рост значения, %; «-» - снижение значения, %); Б - Увеличение разброса значений (Хтдх-Хтт)Мх)/(Х )м=о-

В - Изменение суммарной работы деформации (А^), ((А^-Ам-о)/Ам=о)«ЮО%, Г - Относительная доля работы деформации от осевой нагрузки (АР), ((Ар-Ам.«УАм=о)*! 00%; Д - Относительная доля работы деформации от крутящего момента (Ам), ((Ам-Ам=оУАм=о)*ЮО%;

штамповки принято нецелесообразным из-за роста работы деформации и возможной потери устойчивости высаживаемой части заготовки).

В отличие от моделирования штамповки контакторов методом выдавливания, при котором образуется прессутяжина, при моделировании штамповки методом высадки просчитывались два варианта штамповки, отличающиеся тем, что в одном из вариантов на заключительной стадии (доштамповки) к пуансону прикладывали крутящий момент.

Получено, что наиболее благоприятной с точки зрения формообразования и характеристик НДС является схема штамповки методом высадки, причем приложение крутящего момента на заключительной стадии штамповки позволяет получить более равномерную картину характеристик полей НДС при увеличении интенсивности деформации по всему объему металла.

Для производства опытно-промышленной партии поковок контакторов пресс оборудовали изотермическим блоком, в технологическую функцию которого входит поддержание постоянной температуры в зоне деформации в течение эксперимента на уровне не ниже 400-450 °С. Штамповая оснастка в сборе и заготовка нагревались отдельно. Для предотвращения отвода тепла в процессе деформирования через подштамповую плиту использовали комплект из 20 стальных листов толщиной 0,8 мм. Данные усовершенствования позволили получить качественные поковки всех типов размеров при максимальном усилии 800 кН, при этом симметричная схема штамповки сохраняется на всех этапах деформирования. Применение штамповки в изотермическом блоке дает снижение усилия деформирования поковки контактора по сравнению со штамповкой в предварительно нагретом инструменте на 50-60 %.

Спецификой эксплуатации данных контакторов вакуумной коммутирующей аппаратуры является значительная величина тока, при аварийном режиме достигающая 20000 А при напряжении в 10000 В. Поэтому даже

незначительное увеличение электросопротивления, связанное с явлением наклёпа деформируемых контакторов, приводит к значительным потерям мощности и разогреву самого контактора во время работы.

Для обеспечения оптимального уровня и сочетания физических и механических свойств полученных поковок был рекомендован к применению и опробован на опытно-промышленной партии отжиг поковок контакторов с целью снятия остаточных напряжений (т.к. при данной температуре деформирования 410-450 °С деформацию следует считать теплой), завершение «возврата» металла поковки и начала процесса рекристаллизации.

Отжиг проводился в камерной электрической печи сопротивления при температуре 450*5 °С в течении 20 мин. С целью уменьшения окисления образцов их помещали в уже разогретую печь, а после отжига охлаждали на воздухе. Полученные таким образом характерные картины наблюдаемой микроструктуры по различным участкам поковки, а так же для исходной заготовки представлены на рис.4.

На основании исследования микроструктуры*' получено, что мелкозернистая структура штампованных контакторов, прошедших отжиг при температуре 450±|0 °С в течении 20 мин, является более равномерной по сравнению с микроструктурой контакторов, производимых по базовой технологии из отожженного прутка, и, следовательно, штампованные контакторы обладают более высокой усталостной прочностью.

Экономический анализ показал, что трудоемкость изготовления контакторов снижается на 37,5%, и при снижении затрат на материалы на 22,7% экономический эффект от перехода на технологию штамповки контакторов составит 16 225 руб./месяц.(цены приведены на 01.01.98 г.), а срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составит менее двух месяцев.

*) - Исследование микроструктуры проведены под руководством и при участии проф., д.т.н. В.К Портного.

Исходная микроструктура поставляемого прутка в сечении параллельном направлению прессования

' ?• -Л ■ ' $

- Г,

» ' I 11

^ ' *

Л

X? '

Высадка: нагрев до 450 °С;

выдержка ! мнн.; температура деформации

410-450°С; охлаждение на воздухе «'ЯГЭП

Отжиг: нагрев до 450 °С;

вьщержка 20 мин.; охлаждение на воздухе

Масштаб увеличения для всех картин микроструктур 1:200

Рис.4. Картины микроструктур по зонам деформированной и отожженной поковки и исходной заготовки, полученные методом прямого сканирования с светового микроскопа при увеличении 1:200.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально определены реологические параметры уравнения состояния модельных материалов и бескислородной меди МООб. Для меди МООб исследована зависимость коэффициентов скоростной (ш) и деформационной (п) чувствительности в широком температурном диапазоне при различных скоростях деформации. Полученные зависимости показали, что приемлемой температурой для штамповки меди МООб является температурный диапазон 450-500 °С, при котором происходит изменение механизма деформации, связанного с изменением энергии активации, и в тоже время медь является достаточно пассивной к насыщению кислородом воздуха.

2. Исследовано влияние комбинированного нагружения по схеме «штамповка с кручением» на технологические параметры штамповки осе-симметричных деталей. Показано, что при использовании комбинированного нагружения у пластичного материала осевое усилие деформирования под действием крутящего момента уменьшается на 40-60 % при всех значениях деформации независимо от скорости деформации, в то время как у сверхпластичного материала при увеличении величины прикладываемого крутящего момента осевое усилие деформации снижается на 20-40 %, причем на ранних стадиях деформации это снижение более интенсивно.

3. Установлено, что степень уменьшения осевого давления с увеличением крутящего момента зависит от двух факторов: реологического состояния материала и степени деформации. Уменьшение осевого давления тем слабее, чем больше степень деформации и чем сильнее проявляется сверхпластическое поведение материала. Это может быть объяснено изменением относительной глубины проникновения сдвиговой деформации в тело образца в результате воздействия крутящего момента.

4. Разработана механико-математическая модель осадки с приложе-

нием крутящего момента, основанная на методе конечных элементов. Создана реализующая ее программа, которая вошла в ранее разработанный в МГИСиС и МИЭМ пакет прикладных программ «БРЬБЫ-Э». Проведенные расчеты показали хорошее соответствие экспериментальных и расчетных значений энергосиловых параметров штамповки как с приложением, так и без приложения крутящего момента.

5. Анализ результатов математического моделирования осадки без приложения и с приложением крутящего момента показал, что при относительно неизменных средних значениях напряженного состояния деформированных образцов при приложении крутящего момента происходит рост неравномерности напряжений и деформаций при значительном увеличении интенсивности деформации, что может быть связано с вкладом сдвиговой составляющей.

6. Установлено, что, благодаря дополнительной сдвиговой деформации, картина течения металла меняется существенно не только по поверхности штампа (рост интенсивности деформаций и скоростей деформации в приконтактных слоях), но и во всем объеме образца (значительно уменьшается зона затрудненной деформации), в результате чего схема «осадка с кручением» становится наиболее благоприятной при штамповке поковок с относительно развитой контактной поверхностью.

7. Расчетным и экспериментальным путем установлено, что наиболее благоприятной схемой штамповки электротехнических контакторов из меди МООб будет являться штамповка высадкой, с приложением крутящего момента на заключительной стадии штамповки или без него. Приложение крутящего момента позволяет получить более равномерную картину характеристик НДС при увеличении интенсивности деформации по всему объему поковки и дополнительно «закрутить» структуру у поверхности головки контакторов.

8. На основе физического и математического моделирования разработаны технологические режимы, опытная технология и проведена штамповка опытно-'промышленной партии контакторов из меди МООб в изотермических условиях при температуре в зоне дефор;мации, равной 450;'°°С с последу-ющшм отжигом при температуре 4 5 0 100 С в течение 20 мин. В результате деформации и отжига была получена мелкодисперсная и равноосная микроструктура, в результате чего усталостная прочность штампованных контакторов существенно повышается.

9. На основе данных технико-экономического анализа показано, что переход на технологию штампованных контакторов вакуумной коммутирующей аппаратуры позволяет повысить ее надежность, долговечность и получить экономический эффект от ее внедрения только за счет снижения себестоимости изготовления в размере 2650S (США) /месяц при объеме производства 2500 шт./месяц.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Смирнов О. М., Ершов А. Н., Кропотов В. А., Берра-бах Н. Влияние комбинированного нагружения на параметры штамповки плоских дисков в состоянии сверхпластично-сти//Кузнечно-штамповочное производство, 1997, № 1, с. 7—9.

2. Смирнов О. М., Ершов А. Н., Чумаченко С. Е., Кропотов В. А. Методика анализа напряженно-деформированного состояния в процессах осесимметричной штамповки с круче-нием//Кузнечно-штам'Поночное п-роизводство, 1998, № 6, с. 9—12.