автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Создание и исследование технологии получения высокопористых волокнистых материалов на основе операций обработки металлов давлением

ДОНЕЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

САЛО ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

» * ' '

І 1 4 ....

УДК 621.775.8

СТВОРЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОПОРИСТИХ ВОЛОКНОВИХ ВИРОБІВ НА ОСНОВІ ОПЕРАЦІЙ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ ТИСКОМ

- Спеціальність 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Донецьк - 2000

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Східноукраїнському державному університеті Міністерства освіти та науки України, м. Луганськ

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, с.н.с., Бейгельзімер Яків Юхимович, Донецький фізико-технічний інститут НАН України,ведучий науковий співробітник відділу фізики високих тисків і перспективних технологій (м. Донецьк).

Кандидат технічних наук, доцент Підлєсний Сергій Володимирович, Донбаська державна машинобудівна академія, доцент кафедри "Технічна механіка" (м.Краматорськ).

Провідна установа:

Запорізький державний технічний університет, кафедра "Машини та технологія обробки металів тиском", Міністерства освіти та науки України, м. Запоріжжя.

Захист відбудеться "ЛО" квітня 2С00р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Донецького державного технічного уіїіверситету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, в ауд. 353, 5-го учбового корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2-й учбовий корцус

Автореферат розісланий березня 2000р.

Науковий керівник

Доктор технічних наук, доцент Рябічева Людмила Олександрівна. Східноукраїнський державний університет, зав.кафедри "Прикладне матеріалознавство"

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток різноманітних галузей народного господарства таких, як енергомашинобудування, хімічна промисловість, транспортне машинобудування та ін. підвищили рівень вимог до конструкційних матеріалів і викликало за собою створення нових матеріалів і технологій. До таких матеріалів відносяться пористі волокнові матеріали, що на даний час є традиційним об'єктом розробок і досліджень в галузі порошкової металургії. Широке застосування пористих матеріалів із металевих волокон зумовлено можливістю досягнення в них необхідного сполучення фізико-механічних властивостей, що дозволяють використовувати їх для виготовлення деталей різноманітного призначення: елементів, що фільтрують, змішувачів, аераторів, глушителів шуму, теплообмінників, каталізаторів і інше.

В теперішній час високі екологічні вимоги по захисту навколишнього середовища викликали необхідність створення більш ефективних методів очищення шкідливих газів виробництв. Тому актуальним є завдання розробки каталізаторів на основі високопористих волокнових матеріалів, що дають можливість підвищити в 3...4 рази ефективність очищення газів, що утворюються від окису вуглецю та іншого токсичного гачу, а також скоротити витрати високовартісних каталітичних компонентів у 2...4 рази.

Значна номенклатура типорозмірів і матеріалів волокон дає можливість одержувати фільтруючі матеріали з високою затримуючого сдатністю (до 2...4 мкм), які працюють, як в агресивних середовищах, так і при підвищених температурах (до 800° С). Високопористі матеріали, що фільтрують, практично цілком регенеруються через відсутність тупикових пор. За своїми механічними властивостями високопористі фільтри з металевих волокон значно міцніші порошкових завдяки механічному зчепленню волокон і більшої кількості їхніх контактів.

Водночас необхідно зазначити, що на всьому діапазоні операцій одержання волокнових матеріалів є ряд незнрішепих технологічних завдань, таких як: зменшення матеріалоємності, енерговитрат, підвищення

механічних і експлуатаційних властивостей.

Поряд із створенням принципово нових матеріалів велике значення набуває удосконалення вже існуючих матеріалів і технологій для підвищення комплексу експлуатаційних властивостей виробів і розширення сфери застосування пористих волокнових матеріалів.

Тому, актуальним є завдання з удосконалення безвідхідних технологій одержання волокнових матеріалів на основі вивчення деформаційних явищ і розширення сфери застосування волокнових матеріалів для різних виробів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Роботу виконано згідно з Постановою Кабінету Міністрів "Про реалізацію пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки" (напрямок 6: "Нові речовини та матеріали" розділ 1:"Створення нових металевих, композиційних, керамічних матеріалів") тема ГН-44-92 "Комплексне дослідження і створення безвідхідних технологічних процесів одержання високопористих матеріалів із волокон металів і сплавів" і тема ГН-12-96 "Комплексне дослідження фізико-механічних і гідродинамічних властивостей високопористих матеріалів із металевих волокон".

Метою роботи є розвиток теорії деформації при профілюванні волокон синусоїдальної форми, розробка безвідхідної технології та устаткування для одержання волокнових матеріалів спрямованої на підвищення якості деталей хімічного і транспортного машинобудування. Для досягнення поставленої мети необхідно виріїшгги наступні завдання.

1.Розробити і провести дослідження технологічних операцій виготовлення волокнових матеріалів іх міді М2, ніхрома Х20Н80, сталі 03X18Н9Т, константана МНМц40-1.5. Деформація волокнових матеріалів із сталі 03X18Н9Т і константана МНМц40-1.5 досліджується вперше.

2.Виконати дослідження процесів деформації волокнових матеріалів. Визначігги вплив параметрів профілювання волокон на процес ущільнення, технологічні параметри виготовлення і властивості волокнових виробів.

3.Розробити методику розрахунку зусилля деформування для одержання волокон синусоїдальної форми і визначити напружений стан, розробити аналітичні залежності, що дають можливість визначати зусилля деформування при ущільненні волокон.

4.Дослідити вдатність до руйнування, механічні і гідравлічні властивості волокнових матеріалів.

5.Розробити і впровадити технологічні процеси виготовлення виробів (фільтрів, носіїв каталізаторів) із волокнових матеріалів.

Наукова новизна роботи

1.При дослідженні операції деформування і різання жгутів волокон, з метою надання їм синусоїдальної форми встановлені оптимальні параметри деформування, що дає можливість регулювати величину пружної післядії та щільність жгутів.

2.На основі експериментальних досліджень всіх операцій техно-логічлого процесу одержання волокнових матеріалів із міді, сталі, константана і ніхрома встановлено закономірність у зміні пористості в залежності від параметрів деформації волокон при одержанні синусоїдальної форми, яка дозволяє отримувати волокнові матеріали заданої пористості.

3.Встановлено вплив параметрів деформування при одержанні синусоїдальної форми волокна на механічні та експлуатаційні властивості,

завдяки чому одержана можливість виготовлення виробів з потрібними властивостями.

4.Розроблено методики розрахунку зусилля деформування та оцінки схеми напруженого стану при одержанні волокон синусоїдальної форми з використанням моделі поперечного стиску циліндра плоскими плитами і моделі обкатування циліндра між плоскопаралельними плитами, які дозволяють оцінити спроможність волокон різних матеріалів до пластичної деформації.

5.Вперше досліджений технологічний процес одержання волокнового матеріалу з константана, завдяки чому визначені: зусилля пресування, температура та час спікуння, механічні властивості матеріалу в залежності від пористості.

Практична цінність роботи

1.Розроблено операцію деформування волокон для надання їм синусоїдальної форми з метою підвищення механічних і гідравлічних властивостей.

2.3апропоновано аналітичні залежності розрахунку зусилля деформування волокон для надання їм синусоїдальної форми, які рекомендуються для якісної і наближеної кількісної оцінки здатності волокон із різних матеріалів до пластичної деформації.

З.Розроблено технологічні процеси одержання внсокопористігх матеріалів .із металевих волокон для виготовлення фільтруючих елементів, носіїв каталізаторів, які мають підвищену стійкість.

4.0держано нові експериментальні дані про механічні властивості волокнистих матеріалів із міді М2, сталі 03X18Н9Т, константана МНМц40-2.5 і ніхрома Х20Н80 у залежності від пористості.

5.Розроблено технічне завдання на проектування дослідно-промислових устаткувань для поєднання волокон у жгут і для деформування і різання жгутів із цих золокон.

Методи дослідження. При виконанні експериментальної частини роботи для визначення зусилля деформування при профілюванні волокон використовували метод тензометрування, також використовували статистичне опрацювання експериметальних даних і метод планування експерименту. .

Для виконання теоретичної частини роботи використовували метод ліній ковзання при визначенні зусилля деформування і оцінки схеми напруженого стану при одержанні волокон синусоїдальної форми.

Особистий внесок здобувана. На основі огляду літератури автор виконав теоретичне обгрунтування і здійснив посгановку завдання дослідження. Автор виконав експериментальне дослідження деформування волокон синусоїдальної форми, дослідження віброукладки,. пресування і. спікання волокнового матеріалу, виконав аналіз отриманих результатів.

Розробив установки для проведення експериментального технологічного процесу. Здійснив статистичне опрацювання експериментальних даних і планування експерименту. Впровадив у практику технологічні процеси виготовлення фільтрів і носіїв каталізатора.

Апробація роботи. Основні наукові положення і результати дослідження доповідалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях і семінарах: на республіканській науково-технічній

конференції “Фізика і механіка пластичної деформації порошкових матеріалів" (Луганськ, 1991р.); на У-й міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми розвитку локомотивобудування" (Крим, Апушта, 1995р.); на УП-й міжнародній, науково-технічній конференції "Проблеми розвитку рейкового транспорту" (Крим, Лівадія, 1997р.); на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського державного університету (1989... 1997р.м), на об'єднаному науковому семінарі кафедри "Обробка металів тиском" Донецького державного технічного університету (Донецьк,1999р.).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, із них 6 статей, 5 патентів і авторських посвідчень.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 139 джерел, додаткіз, містить 140 сторінок машинописного тексту, має 69 рисунків, 25 таблиць. ’

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність роботи, сфурмульовано мету і завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність, методи дослідження.

У першому розділі розглянуто стан питання з розробки і дослідження пористих волокнових матеріалів; виконано аналіз процесів ущільнення пористих волокнових матеріалів; розглянуто питання дослідження ефектів деформації при виготовленні волокнових матеріалів; показано виконані дослідження пористої структури і властивостей волокнових матеріалів. В результаті встановлено можливості використання ефектів деформації для удосконалення технологічного процесу одержання високопористих волокнових матеріалів.

Для підвищення ефективності використання високопористих волокнових матеріалів необхідні науково обгрунтовані експериментальні і теоретичні дані. Важливий внесок у розвиток теорії ущільнення пористих матеріалів внесли Р.О.Андрієвський, М.Ю.Бальшін, Ю.Ю.Бєлоус, Я.Ю.Бейгельзімер, Г.Я.Гун, О.Г.Косторнов, О.М.Лаптєв, В.МЛещинський, В.М.Сегал, В.В.Скороход, Л.М.Соколов, М.Б.Штерн та ін.

До основних завдань, які необхідно вирішувати при розробці прониклих волокнових матеріалів відносяться процеси ущільнення на первинних операціях технологічного процесу, що впливають на пористість і експлуатаційні властивості волокнових виробів. Розроблено закономірності ущільнення порошкових матеріалів, основні закони яких застосовуються для аналізу ущільнення волокнових. матеріалів і вимагають експериментального і теоретичного уточнення. Формування волокнового матеріалу відбувається за рахунок процесів деформації під впливом зовнішнього тиску і контактної взаємодії часток матеріалу, що ущільнюється. При цьому здійснюється не тільки контактне ущільнення, але і незворотня пластична деформація волокон, яка ще досконало не вивчена.

Спостерігається вплив деформації на процес ущільнення волокнових матеріалів, яка виявляється в зміні об'єму, збільшенні пористості і контактних взаємодіях часток, які визначають властивість матеріалу. Очевидно, ефекти не тільки пружної, але й пластичної деформації впливають на пористість матеріалу, розміри міжконтактних меж, на розміри пор і, отже, на експлуатаційні властивості виробів.

Не знайшло застосування у виробництві виробів із волокнових матеріалів профільоване волокно, одержане пластичною деформацією. Не вивчено вплив розмірів профільованого волокна на властивості і структуру волокнового 'Матеріалу.

. Теорія процесу деформації волокнових матеріалів базується в основному на положеннях теорії пружності, і не враховує наявність пластичної деформації. При обробці волокнових матеріалів відбувається пружна зворотня і пластична незворотня деформації. Наявність пружної деформації виявляється у вигляді пружної післядії і її впливу на пористість і об'ємних змінах у виробах. Наявність пластичної деформації виявляється у вигляді зв'язків на міжконтактних ділянках волокон, і, мабуть, впливає на властивості волокнових виробів. Це явище не враховується при розробці технологічних параметрів одержання волокнового матеріалу.

З виконаного аналізу загальних тенденцій і проблем розвитку процесів одержання волокнових матеріалів, а також відповідно до мети даної роботи, визначено задачі досліджень.

В другому розділі розглянуто методику проведення досліджень одержання пористих волокнових матеріалів. Вибір матеріалів для досліджень обумовлено умовами експлуатації волокнових виробів, їх здатністю до формування і спікання, технічною можливістю виютовлення дроту мікронних розмірів. Тому для дослідження обрані волокнові матеріали з міді М2, ніхрома Х20Н80, константана МНМц40-1.5 і нержавіючої сталі 03X18Н9Т. Як відомо, форма волокна значно впливає на технологію виготовлення і фізико-механічні властивості одержуваного матеріалу, тому

для дослідження запропоновано синусоїдальну. форму волокна. Запропонована форма волокна забезпечує їх рівномірний і орієнтований розподіл у прес-формі при віброутцільненні, можливість одержання за рахунок переплетення вигнутих волокон міцних виробів високої пористості.

Досліджуваний технологічний процес одержання волокнових виробів складається з наступних операцій.

На першій операції технологічного процесу виконувалося складання волокон вихідного діаметру в жгут. При цьому подано різну кількість волокон у жгуті від 9 до 354.

Наступною операцією була деформація жгутів для надання волокнам синусоїдальної форми та різання їх на потрібну довжину. При виконанні цієї операції досліджували щільність жгугів, шляхом просочування зразків розігрітим парафіном і зважування зразків на аналітичних вагах із парафіном і у воді, в залежності бід параметрів деформації - зусилля, амплітуди і періоду синусоїди. Після деформації і наступного різання жгугів на інструментальному мікроскопі вивчали зміну розмірів волокна, що має синусоїдальну форму.

Далі відбувалася операція поділу і віброукладки металевих волокон, яку здійснювали на вібраційному електродинамічному стенді ВЕДС-10. При виконанні процесу поділу і віброукладки досліджували вплив параметрів волокон синусоїдальної форми на пористість брикетів діаметром 26 мм і висотою 7 мм після віброукладки шляхом визначення об”єму і маси зразків за допомогою штангенциркуля з похибкою ± 0,1мм і аналітичної ваги з похибкою ± 0,01р, а потім розраховували пористість по формулі

0=!-Рп/Рк. (1)

де - рп - щільність пористого матеріалу;

Рк - щільність компактного матеріалу

Також визначати вплив технологічних параметрів вібрації - частоти струму, віброприскорсння, амплітуди віброзміщення - на швидкість і рівномірність укладки волокон синусоїдальної форми на мікрошліфах за допомогою мікроскопа МІМ-8.

Подальше опрацювання полягало у здійсненні операції пресування брикетів на гідравлічному пресі П-50. При цьому подавали зусилля пресування, яке реєструвалося шкалою силовимірювача преса. Досліджували вплив зусилля пресування і параметрів волокон синусоїдальної форми на пористість пресованих брикетів діаметром 26 мм, висотою 7 мм і на пресованих брикетах із розміром поперечного перетину 5 х 10 мм і довжиною 55 мм. Вивчали зміну їхніх розмірів після пресування, міряючи лінійні розміри.

При дослідженні технології спікання експериментально визначали оптимальний час і температуру першого і другого спікання (після першого спікання робили калібрування) із погляду одержання заданих розмірів зразків, вивчаючи зміну їхніх лінійних розмірів після кожного спікання.

Розроблені і виготовлені установки для поєднання металевих волокон у жгут, для деформування (із метою надання волокнам синусоїдальної форми) і різання жгутів, пристосування для поділу і укладки волокон, а також для пресування. Спікання виконували у вакуумній пічі електроопору СНВЕ 1,3.1/1613.

Дослідження, структури волокнових матеріалів, підрахунок числа волокон і контактів здійснювали на мікроскопі МІМ-8 і ПЧБТїЮМ; довжину межі контакту визначали на інструментальному мікроскопі БМЦ-1Ц.

Механічні властивості волокнових матеріалів досліджували, виконуючи випробування на розтяг на іспитовій машині гР-10, при цьому розмір, умови випробування і конфігурація зразків відповідали ДЕРЖСТАНДАРТУ 1497-84. Гідравлічні властивості визначали на спеціальному стенді за ДЕРЖСТАНДАРТОМ 2.601-65, виміри параметрів за ДЕРЖСТАНДАРТОМ 17108-86 шляхом подачі повітря через зразок.

У третьому розділі подано експериментальне дослідження технологічних параметрів одержання волокковіїх матеріалів.

Розроблено і досліджено операцію деформування для одержання синусоїдального профілю волокна і його різання на потрібну довжину з міді М2 і сталі 03X18Н9Т. Визначено, що із збільшенням амплітуди і періоду синусоїдальної форми волокон зменшується щільність деформованих жгутів, складених із різної кількості волскон. На рис. 1 показано залежність щільності вихідних жгутів із міді до виконання профілювання рж і залежність щільності деформованих жгутів після профілювання р від кількості волокон у жгуті к за різними зусиллями деформації' (р0 -щільність вихідного волокна міді).

Встановлено, що параметри синусоїдальної форми волокон впливають на ефект пружної післядії. Збільшення числа волокон у жгуті, що деформується і збільшення зусилля деформації призводить до збільшення пружної післядії і зменшенню щільності жгутів. Оптимальними розмірами синусоїдальної форми волокон варто вважати амплітуду 1 мм, період 2мм.

Розроблено і досліджено операцію віброукладки волокон синусоїдальної форми. Отримано, що пористість брикетів після віброукладки зменшується із збільшенням амплітуди і періоду синусоїдальної форми волокна та із збільшенням зусилля деформації. Визначено технологічні параметри віброукладки, які забезпечують мінімальний час віброукладки волокон, наприклад, для волокна діаметром 50 х 10'2 мм і довжиною 12 мм

при частоті 13 Гц, такі величини: віброприскорення 4.5 м/с2, амплітуда віброзміщення 0.67 мм, час укладки 0.5хв.

Розроблено і досліджено операцію пресування сирого войлоку. Показано, що попереднє профілювання, за допомогою якого отримані волокна синусоїдальної форми, впливає на процес пресування волокнових матеріалів, а саме на пористість і ефект пружної післядії. При пресуванні волокон синусоїдальної форми отримано найбільшу пористість. При пресуванні волокон синусоїдальної форми більш інтенсивно виявляється

Рис.1 Залежність щільності від числа волокон у жгуті: 1 - вихідна щільність жгута; 2,3,4,5 - щільність жгутів після деформації зусиллями 200, 97,400, 300 Н. відповідно. АіМплітуда 1 мм. Мідь

ефект пружної післядії, що залежить від властивостей матеріалу волокна і від розмірів їхніх меж контакту. Тому рекомендується використовувати волокна з мінімальними розмірами синусоїдальної форми, яка зберігається після пресування і впливає па розмір пор.

Досліджували технологію спікання волокнових матеріалів, для чого використовували планування експерименту. У значенні плану експерименту обрано ортогональний центральний композиційний план другого порядку, у якому чинниками були температура і час спікання. Експериментально визначений оптимальний час спікання на зразках із міді як модельному матеріалі. Він складає 120 хв. і забезпечує одержання найбільш рівномірного розподілу волокон і їхніх контактів. Вивчено явище пружної післядії після першого спікання, яке впливає на одержання необхідних розмірів пресованих брикетів. .

: Досліджено технологію калібрування і другого спікання пресованих

брикетів. Отримано, що калібрування необхідно робити зусилям ЗО кН, повторне спікання при температурах першого спікання протягом 120 хв, що забезпечує досягнення необхідної пористості, яка дорівнює 70 - 75%, одержання рівномірного розподілу волокон і контактів між ними й усунення ефекту пружної післядії.

У четвертому розділі проведено аналіз напруженого стану і розроблено методику розрахунку зусилля деформування волокон для надання їм синусоїдальної форми. Для цього було використано метод ліній ков. зання, що дає можливість розрахувати зусилля і оцінити схему напруженого стану.

При одержанні волокон синусоїдальної форми у зоні деформації відбуваються складні процеси, що полягають з одного боку в деформації волокна гнучкої по напрямку осі прокатування жгутів, з іншого боку з деформації поперечним зсувом кожного волокна. Це призводить до обкатування одного волокна щодо іншого і до взаємної деформації волокон тиском.

Взаємне розташування волокон у зоні контакту характеризується полями ліній ковзання, приведеними на рис.2. У початковій стадії деформування пластичні області зосереджені поблизу зон активного контакту' деформованих волокон, як показано на рис. 2а (Я - радіус волокна; а -довжина збни деформації: АЬ - абсолютна деформація зони контакту волокна по висоті). їхня структура і конфігурація відповідають рішенню В.М.Сегала для задачі поперечного стиску циліндра плоскими плитами. У зоні П приведеного поля рсзв’язується задача Коші. Центроване віяло ВОЕ утворене радіальними прямими , що сходяться в точці О. Зона контакту 1 дсрівшсє зоні виходу металу на вільну поверхню П, тому що катети рівнобедрених трикутників рівні між собою.

Середню напругу уздовж дути ОЕ можна визначити за рівнянням:

®ОБГ. = °00— ^ кр (2)

де Ссю - середня напруга в точці О, визначена з умов рівноваги зони П,

яка жорстко виходить на поверхню (у даному випадку вона дорівнює

мінус к);

к - пластична постійна;

Р £,кут повороту характеристики уздовж дуги ОЕ;

о-,- істинна границя текучості матеріалу волокна, яке деформується.

Бо в точці Е кут Р дорівнює куту у , то середня напруга в точці Е буде дорівнювати:

0ое ~ °оо 2ку

(3)

■ Значення кута у можна знайти з геометричних розумінь, скориставшись властивостями правильного багатокутника, вписаного у коло радіусом И:

у = 2(п/4 - агсБІпл/АЬ/Ю (4)

Довжина зони деформації з тих же розумінь визначається як:

а = 2л/А№ (5>

Підставивши (4) у (3), отримаємо рівняння, яке визначає залежність середньої напруги в точці Е від параметрів деформування зони контакту волокна:

о0Е = оОП)- 4к(п/4- агсяіпл/ДЬ/БО

Характерні поля ліній ковзання: а - модель поперечного стиску циліндра плоскими плитами; б -модель обкатування циліндра плосксліаралельними плитами.

Оскільки лінія ОЕ є прямою, то діючі на неї нормальні і дотичні напруги постійні за розміром і чисельно рівні к і оое , внаслідок чого зусилля взаємного деформування зон контакту волокон може бути визначене як:

рг =2оОЕ^ + 2к| = а(оСЕ+к),

(6)

При деформуванні жгутів також відбувається обкатування одного волокна відносно іншого. Тому і розглянуто модель обкатування циліндра між шіоскопарапельними плитами.

Характерне для початкової стадії такого деформування спрощене поле ліній ковзання показане на рис.2б.

Як і в попередньому випадку в області АОВ розв'язується задача Коші, а в області ВОС вироджена початкова характеристична задача. Кут розчину центрованого віяла ВОС у може бути знайдено із геометричних

разумінь, якщо подано умови тертя на контактній поверхні:

у = п/4 - Y+ г), (7)

де - /=п/4 arcsin OA/2R.

При цьому довжина зони виходу металу ка вільну поверхню ОА визначається за формулою:

ОА = л/2 sinr] (8)

Значення а обчислюємо за аналогією з рівнянням (5).

Оскільки лінії ковзання ОС і CD є прямими, а точка С є їхньою

загальною точкою, то на ці лінії діють нормальні напруги, які дорівнюють середній напрузі у точці С стос, їх величину можна знайти як:

аос =-k- 2кА (9)

Знак мінус вказує на те, що середні напруги в точці С є стискальними. Тому ярч подальшому аналізі їх необхідно враховувати.

Розглядаючи рівновагу трикутника ODC, визначимо зусилля деформування волокна:

Pz=aoca+k2z, (10)

де z - проекція трикупшка DOC на вертикальну вісь Z. Знаючи розмір

г) , тобто менший кут між поверхнею, на якій заданий коефіцієнт тертя д, і лінією ковзання, можна визначити z=a/2sin2ri.

Підставивши цей вираз у ( 10 ), отримаємо:

Р, = о„са+ kasin2r) = а(оос+ ksin 2 q).

(П)

Розроблено алгоритм розрахунку напруженого стану і зусилля деформування при профілюванні волокон. За виразами (6) і (11) виконано оцінку зусиль деформування волокон із міді М2 і сталі 03X18Н9Т за умови, що деформація волокон відбувається стиском і обкатуванням. При цьому в розрахунку приймалося число контактів волокон, виходячи з гістограм розподілу числа контактів у жгуті, поданих у розділі 3.

Отримано задовільне поєднання теоретичних і експериментальних результатів. Оцінка достовірності складає 15%. Це свідчить про те, що аналітичні залежності (6) і (11) можна використовувати для якісної і наближеної кількісної характеристики процесу пластичної деформації волокон.

У п'ятому розділі розглянуто вплив технологічних параметрів на структуру і властивості волокнових матеріалів.

Розглянуто стан і особливості руйнування волокнових матеріалів. Вивчено діаграми розтягу полокнових матеріалів, які дають можливість одержати уявлення про характер деформації, руйнування матеріалів і структури при лінійному і об'ємному напруженому стані. Характер деформації волокнових матеріалів подібний безпористим. У структурі спостерігаються елементи пластичної деформації волокон, що із зростанням напруги на контактах призводять до розриву волокон. Виконано оцінку пластичності волокнового матеріалу з міді за допомогою інтенсивності деформації при розтязі. Отримано, що інтенсивність деформації складає

0.085...0.115, що свідчить про низьку пластичність матеріалу.

Вивчено механічні властивості волокнових матеріалів із міді, сталі, ніхрома і константана.

Із збільшенням пористості міцність усіх досліджуваних матеріалів зменшується, мабуть, внаслідок того, що міцність матеріалу волокон різна, і якість міжконтактних зв’язків відрізняється. Так, при пористості 40% найбільш висока міцність отримана на зразках, виконаних із волокон нержавіючої сталі, а при пористості 80% міцність зразків із волокон ніхрома більша

Пластичність мало змінюється при зміні пористості і значно зменшується при підвищенні ії. Коефіцієнт варіації при визначенні міцності склаз 0.95, при визначенні пластичності 0.90.

Визначено розміри пор у волокновому мідному матеріалі і їхня залежність від пористості, для чого використано метод найменших квадратів. Залежність числа пор від їхніх розмірів апроксимуються лінійною і ступеневою функціями. Показано, що застосовування волокон синусоїдальної форми призводить до зменшення розміру пор і зменшенню кількості пор із малим розміром. Тому рекомендується в реальних пористих об'єктах використовувати волокна синосуїдальної форми, що забезпечують

одержання великої кількості пор із малим діаметром. Розміри пор залежать від пористості матеріалу і діаметру вихідного волокна. Умовний діаметр пор із збільшенням пористості збільшується. Тому рекомендується для пористих волокнових елементів використовувати волокна синусоїдальної форми, які забезпечують одержання великої кількості пор із малим умовним діаметром.

Для характеристики гідравлічних властивостей пористих волокнових мідних матеріалів визначали коефіцієнт гідравлічного опору і витрати повітря, яке проходить через зразки за одиницю часу на зразках товщиною

2, 4, 6, 8, 10 мм. Аналіз експериментальних даних дає можливість зробити висновок, що коефіцієнт гідравлічного опору знаходиться у квадратичній зоні, тобто подальше збільшення перепаду тиску на зразках більш 15 кПа не призводить до істотної зміни гідравлічного опору. Проведена статистична обробка результатів експерименту з імовірністю 0.95 показує, що точність вимірів знаходиться в межах ± 11 ДЕ,. Коефіцієнт гідравлічного опору і витрати повітря знаходиться в таких же межах, як і в сітчатих матеріалах.

У шостому розділі на основі проведених досліджень подано результати технологічного застосування досліджуваних пористих матеріалів із металевих волокон синусоїдальної форми у значенні фільтрів і носіїв каталізаторів.

Використання високопористих матеріалів із волокон міді М2 і волокон сталі 03Х18Н9Т у значенні фільтрів тонкого очищення масел на СВО "Азот" дало можливість відмовитися від закупівлі фільтрів закордонного виробництва, а також підвищити в 3 - 5 разів ресурс роботи системи очищення на технологічних лініях виробництва поліетилена.

У виробництві фталієвого ангідриду з ортоксилола на СВО "Азот" для термокаталітичного очищення газів, що відходять, застосування носія каталізатора з волокнового матеріалу сталі 03X18Н9Т замість каталізатора ЦМС-2, що випускається промисловістю, дало можливість підвищити швидкість окислювання оксиду вуглецю та ефективність очищення в 3...4 рази, а також зменшити витрати високовартісних каталітично активних компонентів у 4...5 рази. Фільтри тонкого очищення впроваджено на СВО "Азот".

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.Вирішено завдання розвитку теорії деформації при профілюванні волокон синусоїдальної форми з метою удосконалення технології, розробки устаткування для одержання високопористих волокнових матеріалів, що підвищують якість деталей хімічного і транспортного машинобудування.

2.Розроблено операцію пластичної деформації і різання волокон із міді М2 і сталі 03ХІ8Н9Т, що полягає в одержанні волокон синусоїдального профілю погребної довжини. Досліджено вплив параметрів волокна синусоїдальної форми на щільність деформованих жгугів. Одержано, що щільність жгутів зменшується із збільшенням параметрів синусоїдального профілю в середньому на-8-10%. Визначено вплив пружної післядії на амплітуду і період волокна синусоїдального профілю. З'ясовано, що із збільшенням кількості волокон у жгугах, що деформуються і зусилля деформації пружна післядія збільшується. При цьому щільність деформованого жгута зменшується.

3.Розроблено і досліджено операцію віброукладки волокон синусоїдальної форми. Одержано, що із збільшенням параметрів синусоїдальної форми волокна і із збільшенням зусилля деформації пористість брикетів після віброукладки зменшується на 7 - 10 %.

4.Розроблено і досліджено операцію пресування сирого войлока з волокон синусоїдальної форми. Пористість пресованих брикетів збільшується із збільшенням параметрів волокна синусоїдальної форми. Отримано, що для максимальної пористості і інтенсивного процесу ущільнення матеріалу необхідно використовувати волокна синусоїдальної форми.

5.Досліджено ефект пружної післядії при пресуванні, спіканні, калібруванні і повторному спіканні пористих зразків із металевих волокон синусоїдальної форми. Отримано, що ефект пружної післядії виявляється більш інтенсивно при одержанні матеріалу з волокон синусоїдальної форми. Тому рекомендується використовувати волокна з мінімальними параметрами синусоїди, внаслідок меншого ефекту пружної післядії.

6.Вивчення структури волокнового матеріалу показало, що отримана в результаті профілювання синусоїдальна форма волокна зберігається і впливає на розмір пер і, відповідно, на експлуатаційні властивості виробів. Одержано, що розміри пор зменшуються із зменшенням параметрів волокна, що призводить до поліпшення комплексу фізико-механічних властивостей матеріалу.

7.Розроблено методики розрахунку зусилля деформування і оцінки схеми напруженого стану при одержанні волокон синусоїдальної форми з використанням моделі поперечного стиску циліндра плоскими плитами і моделі обкатування циліндра між плоскопаралельними плитами. Запропоновано аналітичні залежності розрахунку зусилля деформування, що рекомендуються для якісної і наближеної кількісної оцінкі здатності волокон із різних матеріалів до пластичної деформації з точністю 15%.

8.Вивчено механічні властивості волокнових матеріалів, які отримано по розробленій технології. Міцність волокнових матеріалів аналогічна, а в деяких випадках перевищує міцність пористих порошкових матеріалів.

Максимальна межа міцності при пористості 40% змінюється від 57 МПа для волокнового матеріалу з міді до 118 МПа для матеріалу з ніхрома.

Волокнові материи мають більш високу пластичність, ніж порошкові. При пористості 50% відносне подовження знаходиться в межах 20...27%. Вивчення гідравлічних властивостей пористих волокнових матеріалів показало, що вони мають максимальні значення коефіцієнта гідравлічного опору, що дає можливість використовувати їх при значних перепадах тиску.

9.Розроблено конструкцію фільтрів тонкого очищення, для виготовлення яких використаний високопористий волокновий матеріал із міді М2 і нержавіючої сталі 03X18Н9Т. Фільтри впроваджено для очшцення масел, які працюють у різних умовах на виробництві поліетилена на Сєвєродонецькому ВО "Азот". Стійкість фільтрів у 3...5 раз вища, ніж сітчатих, виробництва Німеччини, які раніше застосовувалися на базовому підприємстві.

Ю.Розроблено, досліджено і проведено досліди на ВО "Азот" виробництва фталієвого ангідрида з ортоксилола носія каталізатора, виготовленого на основі високопористого матеріалу з волокон сталі 03X18Н9Т замість каталізатора, який промислово випускається із стружки, для термокаталітичного очищення, що дало можливість підвищити швидкість окислення оксиду вуглецю і скоротити витрати високсвартісних каталітичний компонентів у 4..5 рази. Розроблено, досліджено і проведено досліди на ДХК "Луганськтешювоз" у чавуноливарному цеху фільтрів для двох типів опок вакуумного формування з мідного волокнового матеріалу. Стійкість запропонованих фільтрів у 3 рази більша у порівнянні з фільтрами з латунних сіток.

11.3а результатами досліджень- розроблене технічне завдання на проектування дослідно-промислових установок для поєднання волокон у жгут і для деформування і різання жгугів із цих волокон. Річний економічний ефект від впровадження двох типів фільтрів тонкого очищення становить близько 32,0 тис.крб. (за цінами 1990 - 1993рр.).

Основні положення дисертації викладено у роботах:

1. Карташова Л.И., Сало В.И. Свойства пористых материалов из волокон меди и нихрома//МиТОМ. - 1992. -№2. - С.21-23.

2. Карташова Л.И., Сало В.И., Ларин В.В. Металловолокновый фильтрующий элемент тонкой очистки // Вестник ВУГУ. Серия Машиностроение. ~ 1996. - С. 92.

3. Карташова Л.И., Сало В.И., Ларин В.В. Металловолокновый фильтрующий элемент и фильтр с этим элементом // Техника машиностроения. - 1995. -№3. - С. 18-21.

4. Карташова Л.И., Сало В.И., Дубасов В. М. Патент России № 1822443. Способ получения пористого спеченного материала из металлических синусоидальных волокон. - Б.И. - 1993. - №22.- С.152.

5. Карташова Л.И., Сало В.И., Дубасов В. М. Патент России №2060784. Фильтр. -Б.И. - 1996. - №15: - С. 116.

6. Карташова Л.І., Сапо В.Г., Патент України ІІА 19517А. Спосіб одержания пористих деталей з металевих волокон .-Б.В-№6 - 1997.-С.117.

7. Карташова Л.І., Сало В.І., Ларін В.В. Патент України ІІА 24829А. Спосіб виготовлення пористого матеріалу з профільованих металевих волокон. -Б.В. - № . — С.121.

8. Карташова Л.И., Сало В.И., Ларин В.В. Высокопористые материалы из металлических волокон // Конструирование и производство транспортных машин. - Харьков: Изд-во ХПИ. - 1989. - Вып. 21. - С. 25-28.

9. Карташова Л.И., Сало В.И. Безотходная технология получения высокопористых материалов для работы при повышенных температурах // Сборник научных трудов аспирантов и соискателей. - Киев. УМК ВО. -1991. - С.32-35

10. Рябичева Л.А., Сало В.И. Математическая модель взаимодействия волокон' при уплотнении // Вестник ВУГУ. Серия Прикладная математика. -

1999.-№3 (18). - С. 190-194.

11. А.С. 1801795 СССР Карташова Л.И., Сало В.И., Кожемякин Г.Н. и др. Устройство для кондиционирования воздуха. - 1992. - БИ № 10. - С.171.

У роботах, які опубліковані у співавторстві, здобувачу належить розробка методики та дослідження властивостей [1], виконання експериментів по розробці технології виготовлення фільтрів [2],[3],[6],[7],[11], розробка способів одержання волокнових матеріалів [4],[5],[8],[9], участь у розробці алгоритма і математичної моделі ущільнення волокон [10].

АНОТАЦІЯ

Сало В.І. Створення та дослідження технології одержання високопористих волокнових виробів на основі операцій обробки металів тиском. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. Донецький державний технічний університет. - Донецьк, 2000.

Дисертація присвячена питанню створення та дослідження нових високопористих волокнових матеріалів за допомогою операцій обробки металів тиском. У роботі досліджено технологічний процес виготовлення волокнових матеріалів. Вихідним матеріалом є волокна синусоїдальної форми, яку одержано пластичною деформацією. Досліджено операції віброукладання, пресування, спікання, вивчено ефекти пружної післядії, механічні та гідравлічні властивості волокнових матеріалів. Запропоновано методику визначення напруженого стану та зусилля деформування при ущільненні волокон за допомогою ліній ковзання. Показано, що ця методика може використовуватися для приблизної кількісної та .якісної оцінки напруженого стану. Основні результати роботи знайшли промислове застосування для фільтрів у хімічній та транспортній промисловості.

Ключові слова: пласгпгчна деформація, пружна післядія, синусоїдальна форма, напружений стан, зусилля деформування, пресування, спікання, калібрування, механічні властивості.

АННОТАЦИЯ .

Сало ВИ. Создание и исследование технологии получения высокопористых волокновых изделий на основе операций обработки металлов давлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки металлов давлением. Донецкий государственный технический университет, Донецк,

2000.

Диссертация посвящена вопросу создания и исследования новых высокопористых волокновых материалов на основе операций обработки металлов давлением. В работе рассматривали технологический процесс, состоящий из следующих операций: свивка жгутов, их пластическая деформация и резка на определенную длину, виброукладка, прессование, спекание, калибровка и повторное спекание. Исследованы технологические операции изготовления волокновых материалов из меди М2, нихрома Х20Н80, стали 03Х18Н9Т, константана МНМц40-1.5. Деформация волокновых материалов из стали 03X18Н9Т и константана МНМц40-1.5 исследуется впервые. Разработана операция деформирования и резки волокон, которая заключается в получении волокон синусоидальной формы заданной длины. Установлено влияние деформационных параметров на плотность волокнового материала. Определены оптимальные размеры синусоидальной формы волокна. Изучено упругое последействие и его влияние на плотность.

Разработана и исследована операция виброукладки волокон синусоидальной формы. Получено, что пористость брикетов после виброукладки . уменьшается с увеличением амплитуды и периода синусоидальной формы.волокна и с увеличением усилия деформации.

Выбраны технологические параметры виброукладки, обеспечивающие минимальное время виброукладки волокон.

Разработана и исследована операция прессования сырого войлока. Показано, что предварительное профилирование, с помощью которого получены волокна синусоидальной формы, оказывает влияние на процесс прессования волокновых материалов, а именно на пористость и эффект упругого последействия. Рекомендовано использовать волокна с минимальными размерами синусоидальной формы, которая сохраняется после прессования и влияет на размер пор.

Исследовали технологию спекания волокновых материалов, для чего использовали планирование эксперимента. Экспериментально определено оптимальное время спекания на образцах из меди как модельном материале. Оно составляет 120 мин. и обеспечивает получение наиболее равномерного распределения волокон и их контактов. Изучено явление упругого последействия после первого спекания, влияющее на получение необходимых размеров прессованных брикетов.

Исследована технология калибровки и второго спекания прессованных брикетов. Получено, что калибровку необходимо производить усилием 30 кН, повторное спекание при температурах первого спекания в течение 120 мин, что обеспечивает достижениг необходимой пористости равной 70-75%, получение разномерного распределения волокон и контактов между ними и устранения эффекта упругого последействия. ‘

На основе экспериментальных исследований всех операций технологического процесса получения волокновых материалов из меди, стали, константана и нихрома установлены закономерности изменения пористости в зависимости от параметров деформации волокон при получении синусоидальной формы.

Разработана методика расчега усилия деформирования для получения волокон синусоидальной формы и оценено напряженное состояние, разработаны аналитические зависимости, позволяющие определять усилие деформирования при уплотнении волокон. Исследована способность к разрушению, механические и гидравлические свойства волокновых материалов. .

Исследованы эффекты упругого последействия при холодной пластической деформации жгутов и при прессовании. Получены оптимальные параметры технологии создания высокопористых волокновых материалов. В теоретической части работы рассмотрены напряженное

состояние при уплотнении волокон в жгуты с использованием метода линий скольжения. Получены аналитические зависимости усилия осадки -под плоскими бойками и усилия обкатывания между плоскопараллельными плитами, которые можно использовать для качественной и приближенной количественной оценки способности волокон из различных материалов к пластическому деформированию.

Изучены механические свойства волокновых материалов, которые получены по разработанной технологии. Получено, что прочность волокновых материалов высокая и аналогична прочности пористых порошковых материалов. Волокновые материалы имеют более высокую пластичность, чем порошковые. Изучение гидравлических свойств пористых волокновых материалов показало, что они обладают свойствами, которые позволяют применять их для работы в агрессивных средах при значительных перепадах давлений.

Разработана конструкция фильтра тонкой очистки, для которого использован металловолокновый материал из меди М2 и стали 03Х18Н9Т. Фильтр применен для очистки масел, работающих в разных условиях. По результатам исследований разработано техническое задание на проектирование опытно-промышленных установок для свивки жгутов и профилирования и резки волокон.

Ключевые слова: пластическая деформация, упругое последействие, синусоидальная форма, напряженное состояние, усилие деформирования, прессование, спекание, калибровка, механические свойства..

SUMMARY

Salo V.I. The creation and the investigation of technology of receiving highly porositied fiber pieces of the base of metals malleability operation. -Manuscript.

The thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 05.03.05 - Processes and machines of plastic metal working. Donetsk State Technical University. Donetsk. 2000.

The thesis refers to the question of the creation and the investigation of new highly porositied fiber pieces on the base of metals malleability operation. In the work investigated of the technology process production fiber materials. The initial material was fiber having shape sinusoid, which had received been by plastic deformation. The methods of operations vibrastacking, pressing, sintering, investigated elastic aftereffect, are investigated. The mechanical and hydraulic properties of fiber materials are investigated too. The proposed the methods of determination of stress state and force of deformation on the infiltration with help

line sliding. It is show, that these methods may be used for the approximate quantitive and qualitive estimation of stress state. The fundamental results of the thesis found the industrial usage for the filter of chemical and transport industry. .

Key words: plastic deformation, elastic aftereffect, shape sinusoid, stress state, force of the deformation, pressing, sintering, sizing, mechanical properties.

Підписано до друку 15.03.2000 р. Формат 60x84'/!6 Ум. друк. арк.. 1,0. Тираж 100 прим. Зам. 203.

Надруковано на дільниці оперативної поліграфії СУДУ 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20-а