автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Регулирование контактного взаимодействия при эксплуатации и изготовлении элементов трибосопряжений методами обработки давлением

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

РГ6 од

•! г: г ;

' На правах рукописи

УДК 621.7.079.014.2

КИЛЬДИБАЕВА АЙГУЛЬ ХАММАТОВНА

РЕГУЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ ЭЛЕМЕНТОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2000

Работа выполнена в Институте проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Барыкин Н.П. Научный консультант - кандидат технических наук,

н.с. Семенов В.И. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Шибаков В.Г. доктор технических наук, с.н.с. Лутфуллин Р.Я.

Ведущая организация - Государственное унитарное предприятие Научное кон-структорско-технологическое бюро «Искра».

Защита диссертации состоится « 4 » июля 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационпого Совета К.003.98.01 в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 450001, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина 39, ИПСМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПСМ РАН

Автореферат разослан « 3 » июня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук

В.И. Семенов

0 ù rS/T Л

Общая характеристика работы Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем машиностроения является повышение надежности изделий, определяемой в значительной степени технологией изготовления и условиями эксплуатации. Повышения ресурса, как одного из значимых показателей надежности, возможно достичь на основе концепции эксплуатационно-технологической наследственности, которая рассматривает технологию изготовления и эксплуатацию как единый процесс накопления поврежденности изделия. При изготовлении изделий, преимущественно элементов трибосопряжений, методами обработки давлением и их последующей эксплуатации ресурс, в значительной степени, зависит от возможности управления контактным взаимодействием, которое включает адгезию в условиях граничного трения и механическое взаимодействие модифицированного приповерхностного слоя по сопрягаемым поверхностям. Последнее реализуется при использовании соответствующих поверхностно-активных смазочных материалов, покрытий и поверхностной пластической обработки, обеспечивающих формирование макроскопического приповерхностного слоя («третьего тела»).

При выборе и разработке соответствующих смазочных материалов, покрытий и режимов поверхностной обработки преобладают эмпирические подходы, требующие проведения значительного объема трудоемких лабораторных и производственных испытаний. В этой связи, выбор и разработка эффективных смазочных материалов и покрытий на основе вычислительного эксперимента, рационально сочетающего математическое моделирование напряженно-деформированного состояния элементов трибосопряжений (вкладышей подшипников скольжения, кордной проволоки, резьбовых соединений) и технологические эксперименты, учитывающие влияние адгезионного взаимодействия и реологические параметры модифицированного приповерхностного слоя, обуславливает актуальность данной работы.

Работа выполнена в соответствии с планами работ по Комплексной программе фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и

процессов управления Российской академии наук (разделы 2.31, 2.58), Федеральной целевой программе «Развитие межведомственного научно-учебного комплекса «Сверхпластичность» и Республиканской научно-технической программе РБ «Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий».

Цслыо настоящей работы является разработка эффективных поверхностно-активных смазочных материалов и покрытий, обеспечивающих повышение ресурса элементов трибосопряжения в процессах их пластической дефор-' мации и последующей эксплуатации.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведение вычислительного эксперимента, включающего математическое моделирование процесса осесимметричной осадки и волочения многослойной заготовки с оценкой влияния реологических параметров тонкого приповерхностного слоя на контактные напряжения и поврежденность изделия, и технологические эксперименты по определению реологических и адгезионных характеристик материала на контактной поверхности.

2.Разработка методики обоснования состава эффективных технологических смазочных материалов (ТСМ) по критериям ресурса инструмента и изделия для процессов обработки металлов давлением (ОМД) с использованием результатов вычислительного эксперимента.

3. Проведение вычислительного эксперимента, включающего математическое моделирование условий нагружения двухслойного подшипника скольжения с оценкой напряженно-деформированного состояния (НДС) и натурный эксперимент по определению прочности адгезионного соединения антифрикционного вкладыша и корпуса.

4. Разработка методики выбора и создания рациональных технологий нанесения подслоя олова, обеспечивающих повышение ресурса многослойных подшипников скольжения паровых турбин при эксплуатации.

5. Выбор и разработка ТСМ для горячей штамповки алюминиевых сплавов, обеспечивающих равномерность деформации, снижение поврежденности изделия и относительных нормальных напряжений, и волочения латунированной проволоки под металлокорд, обеспечивающих повышение стойкости инструмента, снижение энергозатрат и высокую прочность адгезионных связей метал-локорд-резина, необходимую в эксплуатации.

6. Разработка смазочных материалов для высокотемпературных резьбовых соединений, обеспечивающих повышение их ресурса за счет многократного использования.

Научная новизна

1. На основе математического моделирования изотермической осесимметрич-ной осадки и волочения многослойной заготовки методом конечного элемента проведена оценка влияния реологических свойств деформируемого материала и приповерхностного слоя, геометрических размеров и показателей трения на значения скалярного параметра поврежденности (со) и относительных нормальных напряжений (а™"/(Т02). Показана принципиальная возможность выбора рациональных условий деформирования, обеспечивающих минимальные значения параметров со и а'™/стю.

2. На основе численного решения краевых задач процессов осадки и волочения двухслойной заготовки и технологического эксперимента разработана методика прогнозирования оптимальных значений параметров реологического состояния приповерхностных слоев заготовки по критериям ресурса изделий и энергоемкости процессов деформации.

3. На основе решения задачи оценки НДС двухслойного подшипника скольжения в среде АЫБУБ и результатов натурного эксперимента по определению прочности адгезионной связи антифрикционного вкладыша и корпуса разработана методика обоснования рациональной технологии нанесения подслоя, обеспечивающего высокие эксплуатационные характеристики адгезионного соединения.

Практическая ценность работы:

Методика выбора и разработки ТСМ использована при создании смазочных материалов для изотермической штамповки алюминиевых сплавов и волочения латунированной проволоки.

Разработанные составы ТСМ для мокрого волочения латунированной проволоки под металлокорд обеспечивают:

- снижение усилий волочения на 25 %;

- повышение стойкости волок в 1,5 - 2,5 раза;

- повышение прочности адгезионных связей в контакте металлокорд-резина на 15-20 %;

ТСМ СМЛП-1 используется при мокром волочении латунированной проволоки под металлокорд на ОАО БМК; на него разработаны технические условия ТУ 14-173-90-98 "Технологический смазочный материал СМЛП-1". Концентраты ТСМ "Латойл-1", "Мекор-1" и СМЛП-1 защищены патентами РФ.

По разработанным технологиям химического и электрохимического нанесения промежуточного слоя олова для предприятия "Энергоремонт" ОАО "Башкирэнерго" были подготовлены под заливку антифрикционным слоем 80 корпусов подшипников, которые введены в эксплуатацию.

Разработанный смазочный материал для высокотемпературных резьбовых соединений повышает ресурс работы последних за счет возможности разборки для ремонта без разрушения. Защищен патентом РФ № 2139320.

Апробация работы: Материалы диссертации были представлены на: Международной конференции ВАЬТТШВ'99 (Каунас, 1999); Международной конференции «Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций «Ресурс 2000» (Киев, 2000);. ХХ-ой Российской Школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 2000); научном семинаре в Институте проблем сверхпластичности РАН.

Публикации: Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях и защищены 7 патентами РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 133 источников и приложения. Работа изложена на 156 страницах, включая 40 рисунков и 6 таблиц.

Содержание диссертации

Во впедепни обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования.

Глава 1. Обзор литературы

В первом разделе обзора анализируются современные представления о механизме трения твердых тел, согласно которым силы внешнего трения имеют двойственную молекулярно-механическую (адгезионно-деформационную) природу и определяются объемным деформированием более мягкого материала пары и преодолением адгезионных связей, возникающих между сближенными участками контактирующих поверхностей. Далее отмечается, что с целью снижения неравномерности деформации применяют способы реализации сил трения активного действия.

Во втором разделе представлены существующие теории и гипотезы адгезионного взаимодействия.

В третьем разделе обоснована необходимость оценки сил адгезии между контактирующими телами. Существующие методы можно разделить на аналитические, основанные на математических расчетах сил межмолекулярного взаимодействия, и практические, заключающиеся в измерении сил адгезии при проведении натурных экспериментов. Наиболее перспективным способом оценки адгезионного взаимодействия является вычислительный эксперимент, включающий анализ результатов натурных экспериментов и математического моделирования.

Четвертый раздел посвящен обзору представлений о накоплении повреж-денности и разрушении металлов. Отмечено, что для повышения ресурса изде-

лий, необходимо анализировать кинетику изменения поврежденности детали при изготовлении и эксплуатации с единых позиций, применяя концепцию эксплуатационно-технологической наследственности.

В пятом разделе описаны методики выбора смазочных материалов, как важнейших составляющих технологического процесса, влияющих на контактное взаимодействие сопрягаемых тел, энсргосиловые параметры процессов обработки давлением и поврежденность изделий.

На основе проведенного анализа литературы обоснованы основные задачи исследования.

Глава 2. Материалы и методы экспериментальных исследований

Во второй главе описаны материалы и методики проведения экспериментальных и теоретических исследований. Силу адгезионного взаимодействия, обусловленного наличием модифицированного приповерхностного слоя, в процессах пластической деформации и при машинном трении определяли при помощи натурных экспериментов. Определение прочности адгезионного контакта проводили по двум методикам: моделирование единичного пятна касания и определение прочности адгезионной связи на сдвиг и отрыв. При измерениях по первой методике сферический индентор, изготовленный из более твердого материала пары, зажимается между плоскими дисками из более мягкого материала пары и измеряется сила, необходимая для поворота, индентора. Для определения напряжений сдвига и отрыва по поверхности сопрягаемых тел изготавливаются специальные биметаллические образцы с перпендикулярными надпилами к поверхности раздела слоев. При растяжении этих образцов измеряется прочность адгезионных связей на сдвиг, при изгибе - на отрыв.

Методика по определению напряжений трения при пластическом формообразовании (волочении проволоки) реализована на базе машины 2167 Р-50, совмещенной с компьютером Pentium II, с помощью которого осуществляется обработка результатов. Испытания проводили на цилиндрических образцах из латуни Л65. Скорость относительного скольжения (скорость нагружения) составляла 500 мм/мин. В процессе проведения испытаний ТСМ наносили на ла-

тунный образец и рабочую поверхность экспериментальной оснастки. Деформирование проводили при комнатной температуре.

Влияние реологических параметров модифицированного приповерхностного слоя и технологических параметров процесса на контактное взаимодействие при пластическом формообразовании оценивали с использованием конечно-элементной модели осесимметричной осадки многослойной заготовки. При решении задачи математического моделирования приняты значения реологических параметров деформируемого тела соответствующие алюминиевому сплаву Д16 при температуре 450°С и скорости деформации ¿ = 210~ V.

Для оценки НДС двухслойного подшипника скольжения паровой турбины и влияния приповерхностного слоя на НДС инструмента и изделия при волочении латунированной проволоки под металлокорд проведено математическое моделирование в среде программного продукта АМБУБ.

При выборе рациональных значений параметров реологического состояния приповерхностных слоев и характеристик адгезионного взаимодействия использована критериальная функция, которая представляется в виде:

/> = !<7Л°> 0)

где ¡1° - относительные значения параметров, зависящих от технологических факторов, q¡ - весовые коэффициенты, устанавливаемые на основе экспертных оценок.

В качестве материалов, применявшихся для разработки технологических смазочных материалов для мокрого волочения латунированной проволоки под металлокорд выбраны олеиновая кислота, триэтаноламин, лаурилсульфат магния, полиоксиэтилированный алкилфенол, хлорная медь, аминосульфокислота, натриевое мыло синтетических жирных кислот и вода. Основными критериями выбора химических реактивов являлись: доступность, простота применения, пожаро-, взрывобезопасность, экологическая и токсикологическая безвредность.

Для нанесения промежуточного слоя олова на корпус подшипника скольжения выбраны способы химического и электрохимического осаждения, обеспечивающие равномерность нанесения слоя; а также - снижение энергозатрат, расхода материалов и трудоемкости процесса. Микроструктуру промежуточного слоя олова исследовали на микроскопе «Аксиоверт 100А» с использованием программы обработки изображения "KS Lite 3.0".

Глава 3. Регулирование контактного взаимодействия при пластическом формообразовании

Одним из способов повышения качества изделий является их изготовление с учетом эксплуатационно-технологической наследственности. При этом анализируется кинетика изменения поврежденности материала при изготовлении и эксплуатации изделия.

Для комплексной оценки влияния реологических параметров, соотношения геометрических размеров заготовки и коэффициента трения на параметр поврежденности заготовки в процессе штамповки использована конечно-элементная модель осесимметричной изотермической осадки многослойной заготовки с поверхностным слоем, реологические свойства которого отличаются от реологических свойств основы. Такой поверхностный слой («третье тело», обладающее специфическими, только ему присущими свойствами, отличными от свойств тел, находящихся в контакте), может образовываться в результате физико-химического взаимодействия смазочного и деформируемого материалов благодаря адсорбционному пластифицированию поверхности заготовки в результате эффекта Ребиндера за счет использования поверхностно-активных

тем.

В качестве параметров, влияющих на контактное трение, принимаются следующие: геометрические размеры D 0 и Н0 - исходные диаметр и высота деформируемой заготовки; - начальная толщина поверхностного слоя; реологические параметры поверхностного слоя А^т,,» и деформируемого тела А2,т2,п2,у2

Реологическое соотношение для поверхностного слоя и материала деформируемого тела задается в виде:

<т5=Ае?(1+ £,)', (2)

где: сг ^ - напряжение течения; и £, - интенсивности деформаций и скоростей деформации; А, т, п - реологические параметры материалов поверхностного слоя и деформируемого тела.

Граничные условия на поверхности контакта с инструментом задавались соотношениями: и1Г = иг; г, = а х • ¥г, где vr, иТ - нормальные составляющие скоростей перемещения инструмента и деформируемого объекта на поверхности контакта; Р2.- показатель трения по Зибелю.

Критериальная функция имеет следующий вид:

р = Ч,й) + д2сг„/а02 +Чгсх (3)

где со - скалярный параметр поврежденности; <х. /о-я - относительное нормальное напряжение; - истинная высотная деформация поверхностного слоя.

Поврежденность (<а), накопленная в процессе обработки давлением, оценивается из известного соотношения (4):

N

;=1

у —ах

- А со .

(4)

где N - число переходов деформации; п) - число этапов деформации для у-го перехода (1 ^ у < 1 о), в пределах которых деформация несущественно отличается от монотонной; Я - степень деформации сдвига; предельная пластичность; Aй)J- залечивание поврежденности при у-й термообработке или паузе горячей деформации; а - параметр, характеризующий интенсивность роста поврежденности.

В качестве регулируемых параметров технологического процесса приняты коэффициент скоростной чувствительности поверхностного слоя /я,, показатель трения на контактной поверхности и соотношение исходных геомет-

•л, . ■ 12

рических размеров D0/H0. Выбраны следующие диапазоны изменения управляемых факторов 0,1 </«, <0,9; 0,5<D0 /Я0< 10; 0,1 <Fz<0,9. Принимается, что значения остальных параметров не изменяются в течение всего технологического процесса: А, =Л2 =120; m 2 =0,1; = Щ =0. Кроме того, заданы характеристики пластичности (относительное сужение) материалов поверхностного слоя (i//, ) и основы (у/ 3 ), W\= Vi =0,5. При этом установили следующие технологические параметры: скорость деформирования v т = 0,1 мм/с; степень деформации е = 0,5.

Параметры НДС деформируемого объекта приведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры НДС поверхностного слоя (1) и основы (2) А, =А2 =120; m г =0,1; и, =п2 =0

Граничные условия Параметры А/я. = ю т, =0,1 F,=0,9 Д/Я. =10 m, =0,9 . = 0,9 А/я, = 10 • /и, =0,1 ^z -0,1 . А/я. = 10 т, = 0,9 ^=0,1

<7™\МПа 1400 507 236 110,5

02 1,2 0,4 0,2 0,1

cy™ 0,114 0,189 0,216 0,278

со'Г 0,083 0,189 0,216 0,278

Tf max 2 -3,21 -5,34 -0,79 -2,20

мГ 0,698 -0,724 -0,093 0,058

Граничные условия Параметры ^^ Д/#о=0,5 ?и, =0,1 =0,9 Д/Я0= 0,5 m, = 0,9 Fz = 0,9 А/#„=0,5 /я, =0,1 FZ=0,1 А/Я, =0,5 т, = 0,9 FZ=0,1

СТ™, МПа 963 145 95,9 92,6

max / 0,8 0,1 0,08 0,08

0,538 0,282 0,294 0,222

_ .та* со, . 0,186 0,469 0,223 1,065

ГУ max К2 0,08 ' -2,46 -0,417 1,037

м7 0,432 -0,904 -0,450 -0,705

Установлено, что. при увеличении коэффициента скоростной чувствительности приповерхностного слоя (от,>0,5), происходит снижение усилий деформации, в рассматриваемом интервале значений показателя трения {0,\<Р7 <0,9) на контактной поверхности и соотношения исходных геометрических размеров (0,5<Д/#0<Ю). Для высокой заготовки (£>0/Я0=0,5) в интервале значений показателя трения 0,1 </^<0,9 увеличение коэффициента скоростной чувствительности поверхностного слоя от 0,1 до 0,9 приводит к снижению скалярного параметра поврежденности (со) в основном материале и его росту в поверхностном слое. Для низкой заготовки (£>о/Н0 = Ю) изменение скалярного параметра поврежденности в поверхностном слое и основном материале в зависимости от /я, носит обратный характер.

Практически значимым результатом математического моделирования процесса осесимметричной осадки двухслойной заготовки с различными реологическими параметрами поверхностного слоя и основы является то, что, в отличие от известных представлений, в интервале геометрических соотношений исходны^ размеров 0,5<Ц, /Н0 <10 высокие значения коэффициента скоростной чувствительности поверхностного слоя 0,5<ш,<0,9 и показателя трения по Зи-

белю 0,5< Ру <0,9 обеспечивают минимальную поврежденность <и<0,3 в основном материале, и относительно низкие усилия деформации, что объясняется изменением механической схемы деформации вследствие контактного взаимодействия поверхностного слоя с основой и влияния его реологического состояния на показатели НДС, коэффициент напряженного состояния К и параметр Лоде ц.

При решении задачи с учетом критериальной функции установлены рациональные значения реологических свойств поверхностного слоя по критерию минимума поврежденности для объемной изотермической штамповки деталей в форме диска из заготовки, у которой соотношение размеров Оа1 Н0 <3 (приня-

то из соображений технологичности процесса), которые составляют =0,54; О0/Я0 = 2,59; =0,31. В данном случае выбор ТСМ ограничен высоким значением коэффициента скоростной чувствительности поверхностного слоя, который характерен для материалов, обладающих сверхпластическими свойства-

# МИ.

Реологические параметры модифицированного приповерхностного слоя определяли повторением серии экспериментов выдавливания с различными ТСМ. По вычисленным значениям коэффициентов трения определяли эффективную вязкость образующего поверхностный слой материала. Рассчитанную величину эффективной вязкости использовали для построения зависимостей интенсивностей напряжения от интенсивностей скоростей деформации (Т=Г(Н)), характеризующих реологические свойства приповерхностного слоя в зависимости от исследуемых смазочных материалов.

Сопоставление результатов определения реологических параметров с данными математического моделирования позволяет выбрать смазочный материал, который обеспечивает в очаге деформации образование поверхностного слоя с наиболее близкими к оптимальному варианту реологическими характеристиками. Данный подход может быть использован как один из способов выбора и разработки эффективных ТСМ для изготовления деталей ответственного назначения методами пластического деформирования.

Глава 4. Расчет прочности адгезионного контакта при машинном трении.

Ресурс двухслойных подшипников скольжения паровых турбин определяется прочностью адгезионного соединения антифрикционного вкладыша и корпуса, которая обеспечивается предварительным нанесением промежуточного слоя олова на заливаемую поверхность. При изготовлении подшипников на контактных поверхностях образуется связующий слой, обладающий специфическими свойствами, отличными от свойств сопрягаемых тел, обуславливающий прочность соединения. Для выбора способа нанесения подслоя олова, при-

водящего к образованию прочной адгезионной связи, проведен вычислительный эксперимент.

Действие реальных условий эксплуатации на НДС подшипников скольжения оценено при математическом моделировании в среде программного продукта АЫЗУБ. Для этого построена объемная конечно-элементная модель двухслойного подшипника скольжения, состоящего из стального корпуса и антифрикционного вкладыша из баббита Б83. В расчете принимались механические характеристики материала: £,=210000 МПа, £¿„4=49000 МПа, коэффициент Пуассона для обоих материалов у=0,3. Расчеты выполнялись при действии на соединение контактных давлений в 10 МПа. Решена задача упругого деформирования, происходящего в период пуска, в условиях не сформировавшегося смазочного слоя, когда возникают наибольшие напряжения и деформации. Определены значения нормальных и касательных напряжений на поверхности сопряжения антифрикционного вкладыша и корпуса подшипника, максимальные значения напряжений сдвига — 13,5 МПа, напряжений отрыва — 22,6МПа.

Для определения напряжений сдвига и отрыва при натурном эксперименте на образцы из стали25 наносили слой олова методами натирания, химического и электрохимического осаждения. Образцы с нанесенным слоем укладывали в специально подготовленную форму и заливали баббитом Б83. Из полученных биметаллических слитков изготавливали образцы и проводили испытания. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2

Способ нанесе- Нагрузка Нагрузка Напряжение Напряжение

ния слоя олова сдвига, Н отрыва, Н сдвига ты, Н/м2 (МПа) отрыва его,г, Н/м2 (МПа)

Натирание 1205 1765 34,2 68,6

Химическое 1347 1785 36,3 70,6

осаждение

Электрохимиче- 1047 1693 32,1 57,7

ское осаждение

Экспериментальные исследования по определению прочности сцепления слоев в зависимости от способа нанесения промежуточного слоя олова показа-

ли, что наибольшие значения напряжений сдвига и отрыва имеет соединение, в котором олово нанесено методом химического осаждения. Необходимо заметить, что методами химического и электрохимического осаждения возможно получение равномерного слоя олова на сильно изношенной и загрязненной поверхности любой геометрии. При исследовании микроструктуры слоя олова, нанесенного различными методами, выявлено, что слой, полученный методом химического осаждения, более однороден и состоит из мелких частиц.

При сопоставлении значений напряжений сдвига и напряжений отрыва полученных методом математического моделирования и результатов натурного эксперимента, был 'вычислен запас прочности (ЗП) адгезионного соединения, который для каждого случая удовлетворяет требованиям, предъявляемым для агрегатов тепловых электростанций (2,2 - 2,7) (таблица 3).

Таблица 3

Способ нанесения ЗП на сдвиг ЗП на отрыв ЗП на сдвиг ЗП на отрыв

слоя олова по длине по длине по радиусу по радиусу

Натирание 2,5 3,0 3,0 4,9

Химическое осаж- 2,7 3,1 3,2 5,0

дение

Электрохимическое 2,4 2,6 2,6 4,1

осаждение

На основании проведенных исследований разработаны технологии нанесения подслоя олоза методами химического и электрохимического осаждения, которые переданы ОАО «Башкирэнерго».

На основе описанного подхода разработаны смазочные материалы для высокотемпературных резьбовых соединений, компоненты которых способствуют образованию в зоне контакта прочного разделительного слоя, обладающего высокой адгезией к металлу и препятствующего свариванию элементов резьбового соединения. При использовании указанных смазочных материалов момент откручивания снижается в 1,5-2 раза по сравнению с базовым составом. Тонкий слой, образующийся на сопрягаемых поверхностях под действием смазочного материала, характеризуется высокой несущей способностью, пре-

дотвращает прямой контакт трущихся поверхностей и снижает сопротивляющееся действие сил трения.

Глава 5. Разработка ТСМ для мокрого волочения латунированной

проволоки под мсталлокорд с учетом контактного взаимодействия

К проволоке, предназначенной для производства металлокорда, предъявляются специфические требования, включающие, в частности, нормированные значения прочности адгезионных связей поверхности проволоки с резиной. Известно, что крепление металлокорда из латунированной проволоки к резине (каучук+сера) происходит благодаря тонкому слою сульфида меди (Си2$), который связывается с молекулами каучука через атом серы. Следовательно, на поверхности проволоки после волочения должно остаться достаточное количество активных атомов меди, способных вступить в реакцию с серой, содержащейся в резине, для образования прочной связи. Поэтому ТСМ должен образовывать быстро разрушающуюся антифрикционную металлоплакирующую пленку на поверхности латунированной проволоки, которая обладает высокими антифрикционными свойствами во время волочения, обеспечивая высокий ресурс инструмента, и не остается на проволоке после, что обеспечивает высокую прочность адгезионных связей металлокорда с резиной.

Реологические параметры поверхностного слоя и основы, обеспечивающие приемлемые значения деформаций и напряжений на волоке и проволоке определены при решении упруго-пластической задачи в среде А^УБ. Решена осесимметричная задача волочения через твердосплавную волоку двухслойной заготовки, состоящей из стальной основы (сталь У10) и латунного поверхностного слоя (латунь Л65). Упругие свойства материалов задавались модулем Юнга и коэффициентом Пуассона ^ =210000 МПа; £ ,=68000 МПа; =600000

МПа; у = = у, = 0,3. Пластические свойства для проволоки и слоя задавались кривыми деформационного упрочнения соответствующими температуре 18°С и скорости деформации с = 1-10"'с"'.

Результаты натурных экспериментов по определению адгезионного взаимодействия в процессе изготовления и эксплуатации проволоки под металло-корд приведены в таблице 4.

Таблица 4

Влияние ТСМ на параметры волочения и прочность связей металлокорд-резина

ТСМ Напряжение Прочность адгези- Мощ- Стой- Рабочая

трения, МПа онных связей, МПа ность, кость концен-

через через 30 кВт волок, трация,%

сутки суток шт.

Олон тех- 66,4 0,57 0,68 3,0 54 1,32

нический

Эфирин-Б 50,5 0,59 0,53 2,3 73 1,64

марки Ц

СМП-5С 50,5 0,59 0,53 2,3 0,4

ЭКСП-1 48,5 0,56 0,52 3,2 0,67

Латойл-1 56,8 0,68 0,72 2,7 0,4

Мекор-1 55,3 0,64 0,68 3,2 0,67

СМЛП-1 50,5 0,68 0,60 2,3 20 0,83

Влияние ТСМ на адгезионное взаимодействие сопрягаемых тел в процессе волочения проволоки под металлокорд оценивается с помощью эксперимента по определению напряжений трения в контейнере при выдавливании образцов из латуни Л65. В ходе экспериментального определения использованы смазочные материалы, содержащие поверхностно-активные вещества, подобранные с учетом адгезионного взаимодействия в зоне пластического трения, и в контакте резина-металлокорд. А также, для сравнения, составы, традиционно применяемые в процессах мокрого волочения. Испытания проводили с использованием ТСМ, приготовленных на базе следующих концентратов: 1)Олон технический; 2)Эфирин-Б марки Ц; 3)СМП-5С; 4)ЭКСП-1; 5)Латойл-1; 6)Мекор-1; 7)СМЛП-1. (Первые два серийно применяются на ОАО БМК на мокром волочении латунированной проволоки под металлокорд). При использовании таких смазочных материалов, как СМЛП-1 и СМП-5С, напряжения трения по сравнению с Олоном техническим снижаются на 25 %.

Прочность адгезионных связей металлокорда с резиной определялась при

моделировании единичного пятна касания для фрикционной пары латунь и резина. Индентор изготовили из латуни Л65, в качестве материала контробразцов использовали вулканизированную резину. Латунные образцы предварительно выдерживали в течение 24 часов в ТСМ рабочих концентраций с последующей просушкой на воздухе. Для анализа динамики изменения во времени прочности адгезионных связей проведены две серии испытаний: после одних суток и после 30 суток выдерживания образцов на воздухе. При использовании ТСМ на основе концентратов Латойл-1, Мекор-1 и СМЛП-1, прочность адгезионных связей, измеренная через сутки, возрастает примерно на 20 %, по сравнению с Олоном техническим. Измерения, проведенные через тридцать суток, показали, что при использовании ТСМ на основе Олона технического, Латойла-1 и Меко-ра-1 происходит повышение прочности адгезионных связей, причем самая прочная связь металлокорда с резиной наблюдается при использовании Латойла-1. Результаты измерений приведены в табл.4.

На ОАО БМК проводились опытно-промышленные испытания при мокром волочении латунированной проволоки под металлокорд. Измерялись такие технологические параметры процесса волочения, как мощность, затрачиваемая на волочение проволоки, и расход волок на тонну металлокорда. Также оценивалось количество концентрата ТСМ, необходимое для приготовления раствора рабочей концентрации, обеспечивающего приемлемые усилия волочения. Значения напряжений трения, энергозатрат на волочение, рабочая концентрация ТСМ и стойкость волок приведены в табл.4.

Результаты исследований позволили предложить базовую рецептуру СМЛП-1, компоненты которого в данном количественном и качественном соотношении образуют быстроразрушающуюся антифрикционную пленку, обеспечивающую высокую технологичность процесса волочения и хорошие эксплуатационные характеристики проволоки под металлокорд. Предлагаемый состав содержит, % масс.: олеиновую кислоту 24 - 30, триэтаноламин 24 - 30, по-лиоксиэтилированный алкилфенолЮ - 28 и лаурилсульфат магния 24 - 30.

выводы

1. С использованием математического моделирования осесимметричной осадки и волочения многослойной заготовки выполнена оценка влияния реологических параметров материала тонкого приповерхностного слоя («третьего тела») на поврежденность изделия. Установлено определяющее влияние коэффициента скоростной чувствительности поверхностного слоя на равномерность деформации, уровень поврежденности и относительные нормальные напряжения в широком диапазоне значений показателя трения.

2. Предложена методика выбора и создания эффективных ТСМ для процессов ОМД на основе вычислительного эксперимента, включающего анализ результатов решения задачи осесимметричной осадки и волочения двухслойной заготовки и натурного эксперимента по определению реологических параметров поверхностного слоя.

3. Разработаны рецептуры высокоэффективных ТСМ для процесса волочения латунированной проволоки под металлокорд, обеспечивающих повышение стойкости волок в 1,5 — 2,5 раза; прочности адгезионных связей сопряжения металлокорд-резина на 15 - 20 %; снижение энергозатрат на 15-25 %, расхода концентрата на приготовление рабочего раствора в 1,5-4 раза.

4. Предложена методика выбора рациональной технологии нанесения олова, обеспечивающей необходимый уровень прочности адгезионных связей, заключающаяся в сопоставлении результатов математического моделирования условий нагружения двухслойного подшипника скольжения с оценкой НДС и данных натурного эксперимента по определению прочности сцепления антифрикционного вкладыша и корпуса в зависимости от способа нанесения промежуточного слоя олова. Установлено, что наибольшая прочность адгезионного соединения обеспечивается при нанесении олова методом химического осаждения.

5. Разработаны смазочные материалы для высокотемпературных резьбовых соединений, обладающие высокой адгезией к поверхности металла, препятствующие свариванию элементов резьбового соединения, при использовании

которых усилия откручивания снижаются в 1,5-2 раза по сравнению с базовыми составами, за счет чего обеспечивается увеличение срока службы.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Barykin N.P., Semenov V.I., Kildibaeva A.Kh., Shuster L.Sh.. Comparative tests of lubricants for brass-coated wire // Proceedings of the Int. Conf. BALTTRIB-99. LUA. Kaunas. Lithuania. 1999. pp. 168-171.

2. Barykin N.P., Semenov V.I., Kildibaeva A.Kh. About complex approach to the selection of technological lubricants for the forging process // Proceedings of the Int. Conf. BALTTRIB-99. LUA. Kaunas. Lithuania. 1999. pp. 178-183.

3. Барыкин Н.П., Семенов В.И., Кильдибаева A.X., Шустер Л.Ш., Рыжков В.Г. Технологические смазочные материалы для мокрого волочения латунированной проволоки. Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1999, № 7 с. 37-39.

4. Барыкин Н.П., Кильдибаева А.Х., Семенов В.И., Шустер Л.Ш., Рыжков В.Г. Влияние технологических смазочных материалов для волочения латунированной проволоки на её эксплуатационные свойства. КШП 1999, № 9, с. 2022.

5. Патент РФ № 2080358. Барыкин Н.П., Семенов В.И., Кильдибаева А.Х. Концентрат смазочно-охлаждаюгцей жидкости для литья под давлением цветных сплавов. Бюл.№ 15. 27.05.1997.

6. Патент РФ № 2072389. Барыкин Н.П., Кильдибаева А.Х. Смазка для холодной обработки металлов давлением. Бюл. № 3. 27.01.1997.

7. Патент РФ № 2093536. Барыкин Н.П., Кильдибаева А.Х., Исупов Ю.Г. Композиция для защитных покрытий. Бюл. № 29. 20.10.1997.

8. Патент РФ № 2139321. Барыкин Н.П., Кильдибаева А.Х., Семенов В.И., Рольщиков Л.Д., Рыжков В.Г. Концентрат технологического смазочного материала «Мекор-1» для волочения проволоки для металлокорда. Бюл. Sri 28.10.10.1999.

9. Патент РФ № 2139322. Барыкин Н.П., Кильдибаева А.Х., Семенов В.И., Рольщиков Л.Д., Рыжков В.Г. Концентрат технологического смазочного материала "Латойл-1" для волочения латунированной проволоки. Бюл. № 28.10.10.1999.

10.Патент РФ № 2139320. Барыкин Н.П., Кильдибаева А.Х., Семенов В.И. Смазочный материал для резьбовых соединений. Бюл. № 28.10.10.1999.

11.П.р. от 19.05.2000 по заявке №'99101293/04(001099). Барыкин Н.П., Семенов В.И., Кильдибаева А.Х., Савельев Е.В., Клековкина Н.А., Рольщиков Л.Д., Беспалов А.В. Концентрат технологического смазочного материала.