автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Триботехнические характеристики смазочных материалов, применяемых при холодной листовой штамповке

На правах рукописи

ГИЗАТУЛЛИН Расим Ильдарович

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ХОЛОДНОЙ ЛИСТОВОЙ

ШТАМПОВКЕ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва-2013

005542379

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский Государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук Шолом Владимир Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

главный научный сотрудник ИМАШ РАН

Буяновскнй Илья Александрович

доктор технических наук, профессор МАДИ (ГТУ)

Гриб Владимир Васильевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН)», г.Уфа.

Защита состоится «26» декабря 2013 _г. в «15» часов на заседании диссертационного совета Д 002.059.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук по адресу Россия, 101990, Москва, ул. Малый Харитоньевский переулок, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУН Института машиноведения им. A.A. Благонравова РАН.

Автореферат разослан «25» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 002.059.01

Бозров Виктор Маирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Одной из самых распространенных операций листовой штамповки является вытяжка - образование полого изделия из плоской или полой исходной листовой заготовки.

В процессах листовой штамповки (вытяжки) силы трения, возникающие под прижимом деформируемой заготовки, значительно влияют на глубину вытяжки, энергосиловые параметры процесса и качество получаемых изделий.

На сегодняшний день не существует такой методики, по результатам которой можно однозначно выбрать технологический смазочный материал (ТСМ) для всего многообразия штампуемых деталей. Многие предприятия, помимо оценки смазочного материала в лабораториях, проводят серию опытно-промышленных испытаний для окончательного подбора. Это приводит к дополнительным материальным, трудовым, энергетическим затратам.

Решением может стать предварительный выбор ТСМ на основе численного моделирования операций вытяжки с введением в расчет триботехнических характеристик подбираемых ТСМ, что приведет к сокращению количества лабораторных и опытно-промышленных испытаний.

Однако зависимость триботехнических характеристик ТСМ от различных факторов в процессе трения под прижимом при вытяжке изучена недостаточно, что ведет к недостаточной для предварительного подбора ТСМ точности численного моделирования процессов вытяжки.

Таким образом, оценка триботехнических характеристик различных смазочных сред, выявление зависимости характеристик от нормальных давлений на контактной поверхности и от пути трения при скоростях деформирования, температурах контакта, парах трения, соответствующих операции вытяжки, является важной задачей трибологии.

Одновременно с этим ведутся интенсивные разработки в области создания высокоэффективных технологических смазок для листовой штамповки, удовлетворяющих современным требованиям производства кузовных деталей.

Большой вклад в изучение проблем трения и изнашивания трибосопряжений внесли отечественные ученые Буше H.A., Буяновский И.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Дроздов Ю.Н., Захаров С.М., Колесников В.И., Крагельский Н.В., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Пичугин В.Ф., Семенов А.П., Сорокин Г.М., Хрущов М.М. и другие. Значительный вклад в исследование проблем трения в условиях обработки металлов давлением внесли отечественные и зарубежные ученые: Белосевич В.К., Грудев А.П., Гудвин Г. М., Зильберг Ю.В., Исаченков Е.И., и другие. Выполнение диссертации связано с проведением исследований в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» 2009-2013 гт.

Цель работы - установление закономерности влияния пути трения под прижимом при вытяжке на триботехнические характеристики различных технологических смазочных материалов и на этой основе повышение качества глубокой вытяжки.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. На основе научно-технической и патентной информации выполнить анализ особенностей контактного трения в процессах обработки металлов давлением (ОМД), в том числе глубокой вытяжки.

2. Разработать методику определения параметров трения: напряжения и коэффициента трения при листовой штамповке.

3. На основе разработанной методики создать лабораторный комплекс для физического моделирования процесса трения под прижимом при глубокой вытяжке.

4. Оценить напряжения трения, коэффициенты трения заготовки о инструмент при вытяжке с применением ТСМ с различными физико-химическими свойствами, установить их зависимость от нормального давления и пути трения.

5. С помощью программно-вычислительного комплекса (ПВК) Бейнтп-ЗБ оценить влияние выявленных зависимостей на точность расчетов параметров листовой штамповки. Оценить возможность прогнозирования появления разрывов материала заготовки при моделировании вытяжки с учетом выявленных зависимостей.

6. На основе полученных в ходе исследования данных предложить и апробировать ТСМ с высокими антифрикционными свойствами для глубокой вытяжки из углеродистых сталей.

Объект исследования

Трение под прижимом при холодной листовой штамповке. Предмет исследования

Триботехнические характеристики смазочных материалов в процессе трения под прижимом при вытяжке. Методы исследования

Решение поставленных задач достигалось с применением расчетно-аналитического метода и метода физического моделирования.

Расчетно-аналитическая часть диссертации базируется на современных методах механики сплошной среды. В основу математической модели процесса вытяжки заложены закон сохранения вещества, закон сохранения энергии. Моделирование упругой и пластической деформации заготовки с учетом трения под прижимом осуществлялось с помощью метода конечных элементов.

Физический эксперимент, как часть исследования, включал в себя определение триботехнических характеристик ТСМ под прижимом при вытяжке в зависимости от нормального давления, пути трения, физико-химических свойств ТСМ. Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена многократным повторением экспериментов, статистической обработкой результатов, удовлетворительной для обеспечения статистической значимости полученных результатов. Научная новизна

1. Разработан новый способ оценки коэффициентов трения, напряжений трения на контакте заготовки и инструмента под прижимом при листовой штамповке (защищен патентом РФ).

2. Установлены принципиальные качественные отличия зависимостей коэффициента трения от пути трения при вытяжке: для жидких ТСМ -одностадийная, для консистентных ТСМ - двухстадийная, для ТСМ с

наполнителем - трехстадийная. Предложен механизм действия ТСМ, объясняющий существование выявленных зависимостей.

3. Разработана математическая модель фрикционного взаимодействия пары «инструмент-заготовка» в процессе вытяжки, учитывающая закономерности изменения контактных условий от пути трения, нормального давления. Полученная модель применима при компьютерном моделировании процессов холодной листовой штамповки в ПВК «БеГогт-ЗБ», в условиях исследуеммых, давлений, температур и скоростей деформирования.

4. Впервые установлено, что совместное действие бис(2-гидроксиэтил)олеиламина и низкоэтерифицированного пектина в разработанной смазочной композиции значительно повышает ее антифрикционные свойства. Смазочная композиция защищена патентом РФ.

Практическая значимость

Разработана методика определения коэффициентов трения под прижимом в процессе штамповки-вытяжки, создана информационная база данных по триботехническим характеристикам ТСМ, используемые при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе в лабораториях «Хозрасчетного творческого центра Уфимского авиационного института» (ХТЦ УАИ) и в Уфимском Государственном авиационном техническом университете. Внедрен в массовое производство ТСМ «Росойл-555М» для глубокой вытяжки. Личный вклад соискателя

В научных публикациях, раскрывающих результаты, полученные при выполнении диссертации и написанных в соавторстве, соискателю принадлежит: в работах [3, 7-9, 11, 12] - составление плана экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов; в работах [1, 5, 6, 10] - сбор материалов, анализ результатов отечественных и зарубежных исследований.

Выбор темы исследования, постановка цели и задач работы, а также выдвижение идей выполнены соискателем совместно с научным руководителем. Обзор литературных источников, разработка физической и математической моделей трения под прижимом при вытяжке, доработка лабораторного комплекса для исследования процесса вытяжки и создание компьютеризированной системы измерения сил, приложенных к заготовке, проведение экспериментов, обработка полученных результатов, проведение аналитических расчетов, написание докладов и статей выполнены соискателем в большей части самостоятельно. Автор выносят на защиту;

• способ определения силы трения, коэффициента трения и напряжения трения в зоне прижима при листовой штамповке металлов;

• функциональные зависимости напряжения трения под прижимом от пути трения для технологических смазочных материалов с различными физико-химическими свойствами;

• математическую модель фрикционного взаимодействия пары «инструмент-заготовка» в процессе вытяжки, учитывающая закономерности изменения контактных условий от пути трения, нормального давления.;

• Триботехнические характеристики ТСМ для глубокой вытяжки «Росойл-555М»

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертации прошли апробацию в виде выступлений автора с научными докладами на международных научно-технических конференциях и совещаниях, а также в виде научных статей в журналах, рецензируемых ВАК.

Реализация результатов работы

На базе результатов исследования предложен к внедрению в массовое производство на ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «УАЗ» высокоэффективный технологический смазочный материал «Росойл-555М» для процессов глубокой вытяжки углеродистых сталей. Освоено его серийное производство на ЗАО «Опытный завод смазок и оборудования» (г. Уфа). На технологический смазочный материал «Росойл-555М» оформлена соответствующая технологическая документация.

Публикации

По теме диссертации было опубликовано 11 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 тезиса докладов на международных научно-технических конференциях, зарегистрировано 3 патента на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 143 страниц печатного текста, в том числе 45 рисунка, 26 таблиц, библиографический список из 124 наименований и 3 приложения.

Выражаю благодарность доктору технических наук, профессору Шустеру Леве Шмульевичу, кандидату технических наук Абрамову Алексею Николаевичу за помощь в работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель и задачи работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, о публикациях, структуре и объему диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор особенностей трения при обработке металлов давлением, анализ существующих методик оценки трения при пластической деформации, типов ТСМ, применяемых для глубокой вытяжки деталей.

При разработке технологии листовой штамповки деталей выполняют расчет требуемой силы деформирования, напряжений и деформаций, возникающих в заготовке и на инструменте. В таких расчетах необходим учет влияния сил трения. Однако, как правило, учет влияния сил трения проводится приближенно. Это связано со сложностью непосредственного измерения параметров трения при пластической деформации, недостаточной изученностью влияния физико-химических свойств смазочных материалов на контактное трение при вытяжке, не разработана база данных по триботехническим характеристикам ТСМ для процессов вытяжки при различных режимах.

На основе выполненного аналитического обзора обоснованы и сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе описаны применяемые в работе методики исследований, материалы, оборудование.

Основные исследования были проведены с применением заготовок из сталей 08Ю ОСВ ГОСТ 9045-93, а также сталь 08кп, сталь 08пс, сталь 10 ГОСТ 1050-88.

Используемые в исследованиях марки и размеры листовых материалов приведены в табл. 1.

Механические свойства металлов определялись по ГОСТ 11701-84.

В качестве исследуемых смазочных материалов были выбраны смазочные материалы с различными физико-химическими свойствами, отличающиеся качественным и количественным содержанием противозадирных, противоизносных, антифрикционных присадок и механических наполнителей. В табл. 2 приведен список ТСМ, в табл. 3 - список смазочных композиций, применяемых в исследовании.

Таблица 1

Марки сталей, применяемых в исследовании_

Марка стали 08Ю 08кп 08пс 10

Толщина листа, мм 0,6 - - -

1,0 1,0 1,0 1,0

Таблица 2.

Исследуемые ТСМ. _

Жидкие ТСМ Консистентные ТСМ ТСМ с наполнителем

Росойл-ШОК Росойл-555М Росойл-222

Росойл-101 ШС-2 Росойл-ПС-А

Росойл-710 - -

И-40 - ■ -

Таблица 3.

Смазочные композиции, применяемые в исследовании._

Основа Присадка/наполнитель

И-40 Фторопласт Ф-4 А-2, Ф-4ПН

И-40 Графит П, С-1

И-40 Дисульфид молибдена

И-40 Полиэтилен ПВД 108,158

И-40 ШС-2

Физико-химические свойства ТСМ определялись с помощью стандартных лабораторных методов (ГОСТ 6793, 33, 4333,21749, 5985, 1431).

Для исследуемых ТСМ на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 были определены следующие триботехнические параметры по ГОСТ 9490-75: критическая нагрузка, нагрузка сваривания, индекс задира, диаметр пятна износа при длительном испытании.

Для оценки силы трения между шариками в присутствии ТСМ на ЧМТ-1 был установлен силоизмеритель, регистрирующий крутящий момент, действующий на чашку в результате действия сил трения между шариками.

Для оценки антифрикционных свойств ТСМ для вытяжки деталей из углеродистых сталей применялась методика вытяжки прямоугольной скобы из прямоугольной пластины (пат. № 2327144 С1), схема испытания представлена на

рис. 1. Заготовка 3 с нанесенным на ее поверхность ТСМ прижимается кольцом 2 к матрице с силой О. Пуансон 1 втягивает заготовку в отверстие матрицы 4, формируя прямоугольную скобу. В процессе вытяжки регистрируется график зависимости «сила деформирования Рд - глубина вытяжки /?„». Об антифрикционных свойствах ТСМ судят по величине Рд или величине работы Ад, затрачиваемой на деформацию заготовки, определяемой, как:

Л,

Р* А

(1)

а) б)

Рис. 1. Схема испытания ТСМ на вытяжку прямоугольной полосы с изгибом (а), и форма детали, получаемой в результате испытания (б),

1 - пуансон, 2 - кольцо прижимное, 3 - заготовка, 4 - матрица.

Этот способ оценки ТСМ обладает достаточной чувствительностью за счет упрощения схемы напряженно-деформированного состояния заготовки. При этом с необходимой для исследований точностью воспроизводится процесс трения под прижимом при вытяжке кузовных деталей.

Сила прижима варьировалась в диапазоне от 10 кН до 23 кН (соответствует диапазону нормального давления на поверхность заготовки от 28 до 60 МПа), что соответствует диапазону сил (давлений) прижима, применяемых при вытяжке кузовных деталей.

Шероховатость пластин в исходном и деформированном состоянии была измерена с помощью профилометра модели 253 завода «Калибр».

Топографию поверхности пластин из стали 08Ю в исходном и деформированном состоянии с различными ТСМ исследовали с помощью микроскопа «Микмед-1» с видеосистемой для микроскопии ВСЭ-01М с увеличением в 137 раз.

Для оценки параметров трения под прижимом применялся экспериментальный способ определения силы трения, среднего напряжения трения, коэффициента трения при вытяжке прямоугольной пластины. Суть его в следующем.

В процессе вытяжки пластины фиксируется сила вытяжки (сила деформирования) Рв. Эту силу можно представить как сумму силы затрачиваемой на деформацию заготовки Рлсф и силы трения Рф:

Р* Рдеф Ртр

(2)

В качестве допущения принимаем, что участок заготовки под прижимом не подвергается пластическому растяжению.

В предлагаемом способе сначала проводят вытяжку прямоугольной пластины такой длины, чтобы концы ее не втягивались в зону прижима (длинную заготовку). Фиксируют график зависимости «сила вытяжки - ход пуансона».

Затем, проводят дополнительное испытание с короткой пластиной (такой длины, чтобы в процессе испытания края заготовки втягивались в зону прижима, и

площадь заготовки под прижимом уменьшалась), при таких же условиях, что и длинной.

Вычитая силу вытяжки короткой пластины от силы деформирования длинной, получают:

К-РХПф +Кр)-(Р1ф + (3)

где Р°, Р* - силы вытяжки длинной и короткой пластины соответственно,

Рддеф, Р*еф - силы, затрачиваемые непосредственно на деформацию длинной и короткой пластин соответственно,

Рдтр, Р* - силы трения об инструмент длинной и короткой пластин соответственно.

Принимая, что силы Рддеф, затрачиваемые непосредственно на

деформацию пластин, равны, получим:

Рд-Рк=Рд -рк (4)

в л в * тр тр у '

Таким образом, исключается деформационная составляющая общей силы деформирования длинной и короткой пластин, остается только разность сил трения.

Очевидно, что разность сил трения длинной и короткой пластин - это сила Р,р8 трения заготовки об инструмент на площадке Б (см. рис. 2 (б)).

Так как нормальное давление на короткую пластину под прижимом все время увеличивается (при постоянной силе прижима площадь заготовки под прижимом все время уменьшается), то и силовые параметры процесса соответственно, изменяются.

а)...... " ' " б)

Рис, 2. Пример графиков Рд~/(И„) длинной (1) и короткой (2) полосы для экспериментального ТСМ (а). Схема для определения площади Л' (б).

Значит, испытание необходимо провести так, чтобы нормальное давление на короткую заготовку было равно нормальному давлению на длинную.

Для этого испытание с короткой заготовкой проводят с несколько меньшим прижимом (в экспериментах автора давление прижима на короткую заготовку

составляло 50...80% от давления на длинную). Затем, определяют момент, когда нормальное давление прижима на короткую и длинную заготовки сравнялись. Определяют значение сил деформирования короткой и длинной пластин в этот момент, их разность дает величину силы трения на площади

1'трЗ = Рдй ~ Рок.. (5)

где Рдк - сила деформирования короткой пластины. Напряжение трения определяется как:

г (6)

тр 8

Определяют коэффициент трения для данных условий штамповки по формуле:

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию зависимости энергосиловых параметров процесса вытяжки от физико-химических свойств ТСМ, определению характеристик трения ТСМ при вытяжке.

В ходе подготовки к экспериментальным исследованиям был подготовлен лабораторный комплекс для исследования процесса трения под прижимом при вытяжке.

Испытательный лабораторный комплекс для исследования штамповочных свойств технологических смазочных материалов смонтирован на базе машины ИА 5073-100, предназначенной для оценки штамповочных свойств листовых материалов. Лабораторный комплекс позволяет регистрировать и выводить на экран ЭВМ зависимость «сила деформирования - глубина вытяжки» в реальном времени.

На машине установлен инструмент, изготовленный из стали Р6М5, с шероховатостью рабочих поверхностей 11а не более 0,125мкм и твёрдостью не менее 57НКС.

Нормальное давление прижима при исследования варьировалось от 28 до 60 МПа (Сила прижима составляла от 10 кН до 23 кН). Величина хода пуансона составляет 20 мм, скорость перемещения варьировалась от 6 до 16 мм/с.

Проведен сравнительный анализ испытаний на вытяжку цилиндрического стакана и вытяжку полосы. Было выяснено, что испытание на вытяжку стакана не обладает достаточной для намеченных исследований чувствительностью.

При испытаниях ТСМ на вытяжку полосы было отмечено, что характер изменения силы деформирования значительно зависит от физико-химических свойств ТСМ.

Исследуемые ТСМ были условно разделены по физико-химическим свойствам на три группы: жидкие ТСМ, с кинематической вязкостью при 50 °С не более 1000 сСт, консистентные ТСМ и ТСМ с наполнителем (см. табл. 2, 3).

Во время испытания фиксировался график «сила деформирования-ход пуансона». При этом было отмечено, что характер данной кривой существенно зависит от физико-химических свойств ТСМ.

Характерные виды кривой «сила деформирования-ход пуансона» для различных типов ТСМ представлены на рис. 3.

При применении смазочных композиций с различными наполнителями, качественная картина кривой «сила деформирования-ход пуансона» сохранялась.

Принципиальные различия в динамике изменения силы деформирования при применении различных типов ТСМ могут быть объяснены действием разных режимов трения под прижимом.

Для определения параметров трения под прижимом был разработан способ определения силы трения, среднего напряжения трения, коэффициента трения при вытяжке прямоугольной пластины (описан во второй главе).

В табл. 4. представлены параметры трения под прижимом при вытяжке с различными ТСМ. Сила прижима при испытаниях составляла 16,8 кН (нормальное давление под прижимом на длинную полосу - 44,2 МПа).

применении ТСМ с различной химической природой.

1 - жидкие ТСМ, 2 - ТСМ с наполнителем, 3 - консистентные ТСМ.

Таблица 4

Диапазоны коэффициента трения под прижимом при вытяжке с различными

ТСМ

ТСМ И

Без смазки 0,15

«Росойл-710» 0.11

«Росойл-101» 0,095

«Росойл-ШОК» 0.09

«Росойл-555М» 0,002... 0,034

«ШС-2» (Производитель 1) 0.005... 0,06

«ШС-2» (Производитель 2) 0,04... 0,09

«Росойл-222» 0,011..0,04

«Росойл-ПС-А » 0.017..0.06

Параметры трения при деформировании пластины определялись в диапазоне Ьп от 5мм до 25мм.

При применении жидких ТСМ коэффициент трения под прижимом постоянен в процессе испытания (рис. 4, (а)). При таких условиях применим закон Амонтона.

Вид кривой, представленный на рис. 4 (б), характерен для консистентных ТСМ: коэффициент трения монотонно возрастает до определенного значения, после чего остается практически постоянным.

Рост коэффициента трения на стадии 1 можно объяснить тем, что под

прижимом действует режим как граничного, так и жидкостного трения. В процессе испытания толщина разделительного слоя смазки уменьшается, доля граничного трения между инструментом и заготовкой увеличивается.

На стадии 2 происходит трение преимущественно при граничной смазке. При применении ТСМ, содержащих наполнитель, сила деформирования при вытяжке изменяется подобно кривой 3 (рис. 3). Это обусловлено изменением коэффициента трения под прижимом в процессе испытания. До определенной глубины вытяжки (стадия 1 на рис. 4 (в)) коэффициент трения остается постоянным, что объясняется

Рис. 4. Вид кривых зависимости «коэффициент трения - путь трения» при вытяжке с применением: (а) - жидкого ТСМ «Росойл-710», (б) - консистентного ТСМ «ШС-2» (производитель 2), (в) - ТСМ с наполнителем «Росойл-222». Нормальное давление прижима - 60 МПа.

В процессе вытяжки пластины из прижима наполнитель дробится, либо сминается, уносится из зоны контакта вместе с заготовкой, вдавливаясь в микронеровности (шероховатость заготовки, как правило, выше, чем шероховатость инструмента). Коэффициент трения при этом монотонно возрастает (стадия 2 на рис. 4 (в)).

На третьей стадии рост коэффициента трения практически прекращается.

Очевидно, что коэффициент трения здесь определяется граничной смазкой в присутствии масляной основы ТСМ, а влияние остатков наполнителя становится минимальным.

Топографию поверхности пластин из стали 08Ю в исходном и деформированном состоянии с различными ТСМ исследовали с помощью микроскопа «Микмед-1» с видеосистемой для микроскопии ВСЭ-01М с увеличением в 137 раз (представлено в тексте диссертации). В результате отмечено следующее. При вытяжке с применением жидких ТСМ наблюдается «выглаживание» поверхности детали инструментом

Для всех исследуемых типов ТСМ при изменении нормального давления прижима в диапазоне от 28 МПа до 60 МПа и скорости деформирования в диапазоне от 6 мм/с до 16 мм/с качественный характер изменения коэффициента трения сохраняется.

В ходе исследований обнаружено следующее. Коэффициент трения под прижимом при применении жидких ТСМ и ТСМ с наполнителем не зависит от нормального давления (в диапазоне давлений от 28 до 60 МПа).

Для консистентных ТСМ коэффициент трения зависит от пути трения и нормального давления.

Зависимость коэффициента трения от пути трения предлагается представить в виде трех линейных функций. На стадии 1 и 3: определяется

экспериментально. На стадии 2 коэффициент трения описывается линейной формулой:

где а, Ь - числовые значения, определяемые экспериментально. Длина каждой из трех стадий определяется экспериментально. Методом регрессионного анализа по полному факторному эксперименту для консистентных ТСМ были получены эмпирические формулы от двух переменных второго порядка. Для ТСМ «ШС-2» (производитель 1) зависимость имеет вид.

Рис. 5. График поверхности отклика 1Л=^актыю рноря), построенный по экспериментальным данным для ТСМ ШС-2 (партия 2). Диапазон 1скап,ж 5,7... 15,5 мм, диапазон р,юрм 34.5...50,0 МПа.

(8)

(9)

]> норм, М11а

Уравнение зависимости коэффициента трения от пути трения и нормального давления для ТСМ «Росойл-555М» имеет вид:

ц = -0,066 + 8,1-10% +2,809-Ю-3-2,901-10% - (10)

-3,02-Ю"5^.

В четвертой главе приводятся результаты компьютерного моделирования процессов листовой штамповки в программной среде БеАэгт-ЗБ у.6 с использованием полученных экспериментально коэффициентов трения.

В рамках работы было проведено моделирование испытания на вытяжку скобы из пластины, с применением полученных экспериментально значений ц для исследуемых ТСМ.

Как видно из рис. 6, наибольший разогрев произошел на участках заготовки, соприкасающихся со скруглением матрицы, тогда как средний участок разогрет менее всего. _

(а) (б)

Рис. 6. распределение температур в заготовке при вытяжке П-образных деталей, (а) - длинная заготовка, (б) - короткая заготовка.

Это объясняется тем, что средний участок заготовки не деформируется в процессе вытяжки, участки на скруглении пуансона деформируются только на начальном этапе. Очаг деформации находится на скруглении матрицы, где заготовки втягиваются в матрицу, поэтому в этом месте температурный разогрев наиболее велик.

При этом, видно, что разогрева заготовки в процессе деформации практически не происходит (максимальное увеличение температуры - 3°С).

Было проведено моделирование испытания на вытяжку скобы из прямоугольной пластины. На рис. 6 приведены графики «сила деформирования-ход пуансона»:

- полученные моделированием, без учета экспериментально определенных коэффициентов трения (задавался коэффициент трения 0,12, предлагаемый ПВК Оебзгт-ЗВ по умолчанию для процессов листовой штамповки);

- полученные моделированием с учетом выявленных зависимостей коэффициента трения от пути трения и нормального давления;

- экспериментально определенные графики.

Из рис. 7 видно, что введение в расчет экспериментально определенных зависимостей ц /втр, р,юрл) существенно повышает точность моделирования.

«Росойл-222»

•-эксперимент

---комп. модетрование с учетом выявленных зависимостей и /(рнорм, 1скольж) и базы данных и для различных ТСМ

....... комп. моделирование с условиями трения, предлгемыми ПНК Ое/огт-ЗВ по умолчанию

Рис. 7. Изменение величины силы деформирования в процессе испытания на вытяжку скобы из пластины с ТСМ (сила прижима составляла 16,8кН).

При моделировании вытяжки скобы из пластины без смазки с экспериментально определенным коэффициентом трения 0,16, был получен разрыв стенки, что соответствует реальным испытаниям.

С целью оценки влияния полученных зависимостей и =/(1тр) на точность компьютерного моделирования процесса вытяжки была проведена серия опытов:

- вытяжка цилиндрического стакана из квадратной заготовки с применением различных ТСМ на машине ИА5073-100,

- моделирование вытяжки стакана с учетом зависимостей и =/(]т/) для каждого ТСМ.

- моделирование вытяжки стакана без учета зависимостей и =/(1тр) (были взяты усредненные значения ц для каждого ТСМ)

Величина хода пуансона составляла 20 мм, размеры заготовки: 60x60x1 мм, материал - сталь 08пс, сила прижима - 16,5 кН.

Сравнение проведено по глубине вытяжки до разрыва.

Результаты представлены на диаграмме (рис. 8). Для каждого ТСМ первый столбец - экспериментально определенная глубина вытяжки до разрыва, второй столбец - глубина вытяжки до разрыва с учетом зависимости /г=/(1МЙ), третий столбец - глубина вытяжки до разрыва при моделировании без учета зависимости М=/0тр)-

Таким образом, в результате применения предложенной автором методики определения параметров трения (т1р, Ц=/(1тр)) под прижимом, точность компьютерного моделирования процессов вытяжки была повышена.

Пятая глава посвящена исследованию триботехнических и эксплуатационных характеристик ТСМ, а также опытно-промышленным испытаниям высокоэффективного ТСМ для глубокой вытяжки «Росойл-555М» в рамках проведенного исследования.

глубина вытяжки, определенная экспериментально

глубина вытяжки, определенная при моделировании с учетом выявленных зависимостей коэффициента трения

глубина вытяжки, определенная при моделировании с усредненным коэффициентом трения

Росойл- Росойл- ШС-2 Росой л- Росойл- ЭИеИ Росойл- Росойл-222 555М ПС(А) ШОК РепеНа 101 710

0803С

применяемый ТСМ

Рис. 8. Сравнительная диаграмма значений глубины вытяжки до разрыва для различных ТСМ.

Предполагаемая смазочная композиция «Росойл-555М» имеет следующее соотношение компонентов, масс. %:

-отходы производства полиэтилена: 10-30, -хлорпарафин: 5 - 20 -хлористая медь водная: 0,5 -1,0 -триэтаноламин: 3,0 - 3,5 -олеиновая кислота: 2,0 - 3,0 -бис(2 -гидроксиэтил)олеиламин 3,0-6,0 -низкоэтерифицированный пектин 10,0-15,0% -масло минеральное И-12: до 100.

Результаты лабораторных испытаний приведены в главе 3. Опытно-промышленные испытания ТСМ «Росойл-555М» проводились на ОАО «УАЗ» и ОАО «АвтоВАЗ».

Опытно-промышленные испытания «Росойл-555» (М) проводились на ОАО «УАЗ» в период с марта по июль 2007 г. Были отштампованы следующие конструктивно сложные детали:

№ 3162-6101024 панель передней двери внутренняя правая (590 шт.); № 3162-6101025 панель передней двери внутренняя левая (950 шт); № 3162-6201025 панель задней двери внутренняя левая (65 шт.); № 3160-2801018 крышка картера главной передачи (45 шт.); № 3741-8402072 кожух (40 шт.).

На ОАО «АвтоВАЗ» опытно-промышленные испытания ТСМ «Росойл-555» проводились с 2007г. по 2011г. Были отштампованы следующие детали:

• 2121-5101162 «Поперечина пола»,

• 2121-6101034, 2121-6101035 «Панель двери внутренняя»

ТСМ «Росойл-555М» признан годным к применению при штамповке данных деталей взамен ТСМ «ШС-2». В табл. 5 показаны значения процента брака при штамповке с ТСМ «ШС-2» и «Росойл-555М» согласно актам и протоколам испытаний на ОАО «АвтоВАЗ».

Таблица 5.

Процент брака, получаемый при штамповке различных деталей с ТСМ «ШС-

2» и «Росойл-555М»

Деталь 2121-5101162 2121-6101034

ТСМ «Поперечина «Панель двери

пола» внутренняя»

ШС-2 7,8 5,9

Росойл-555М 7 2

ТСМ «Росойл-555М» признан годным к применению в штамповке указанных деталей, и применяется в массовом производстве на ОАО «УАЗ» и ОАО «АвтоВАЗ».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Создан лабораторный испытательный комплекс для физического моделирования процессов трения при листовой штамповке.

2. Разработан и апробирован расчегтно-экспериментальный способ определения коэффициентов трения и напряжения трения при листовой штамповке. Способ позволяет количественно оценивать величину коэффициента трения и его зависимость от различных факторов.

3. Установлены принципиальные качественные отличия зависимостей коэффициента трения от пути трения при вытяжке: для жидких ТСМ -одностадийная, для консистентных ТСМ - двухстадийная, для ТСМ с наполнителем - трехстадийная. Справедливость установленных зависимостей подтверждена в диапазоне нормального давления от 28 до 60 МПа и пути трения от 5 до 25 мм.

4. Методом регрессионного анализа получены уравнения зависимостей коэффициентов трения от пути трения и нормального давления для консистентных ТСМ, применяемых в исследовании.

5. В ПВК «БеАэгт-ЗВ» разработана компьютерная модель фрикционного взаимодействия пары «инструмент-заготовка» в процессе вытяжки, учитывающая полученные закономерности изменения контактных условий от пути трения и нормального давления. Модель позволяет оценить напряженно-деформированное состояние детали при листовой штамповке, поля температур и скоростей деформации, возможность появления разрывов при штамповке.

6. Создана информационная база данных по триботехническим характеристикам ТСМ, широко применяемых в листоштамповочном производстве.

7. В процессе исследований разработан ТСМ «Росойл-555М» для сложных условий холодной листовой штамповки. На ТСМ «Росойл-555М» оформлена соответствующая техническая документация и получен патент РФ. ТСМ запущен в серийное производство на ЗАО «Опытный завод смазок и оборудования» (г. Уфа) и используется в массовом производстве на ОАО «УАЗ» (г. Ульяновск). ОАО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях 1. Абрамов А.Н. и др. Сравнительная оценка триботехнических свойств РВС «Форсан» и дисульфида молибдена в качестве добавок к смазочным материалам /

Абрамов А.Н., Тюленев Д.Г., Мухамадиев И.С., Шолом A.B., Пузырьков Д.Ф., Гизатуллин Р.И. // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2008. - №12. - с. 31-35.

2. Гизатуллин Р.И. Оценка напряжения трения и коэффициента трения при листовой штамповке / Гизатуллин Р.И. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011 - т. 13. - №4(3). - с. 1004-1005.

3. Шолом В.Ю. Методика оценки напряжения трения и коэффициента трения при листовой штамповке / Шолом В.Ю., Абрамов А.Н., Гизатуллин Р.И. // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2012. - №11.-е. 46-48.

4. Гизатуллин Р.И. Изучение особенностей трения под прижимом при листовой штамповке с применением технологических смазочных материалов / Шолом В.Ю., Абрамов А.Н., Гизатуллин Р.И. // Трение и смазка в машинах и механизмах. -

2012,№12.-с. 3-5.

5. Гизатуллин Р.И. Способ оценки напряжения трения при листовой штамповке. // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. -

2013,№1.-с. 21-23.

Другие публикации

6. Гизатуллин Р.И. Обзор методов сравнительной эффективности технологических смазочных материалов для вытяжки углеродистых сталей / проф., д.т.н. Кузьминых A.A., к.т.н. Абрамов А.Н., Гизатуллин Р.И. // ХХХШ Международная молодежная конференция «Гагаринские чтения», Москва, 2008 г.

7. Гизатуллин Р.И. Методика определения коэффициента трения при листовой штамповке / проф., д.т.н. Шолом В.Ю., к.т.н. Абрамов А.Н., Гизатуллин Р.И. // Международная научно-техническая конференция «Трибология - машиностроению», Москва, 2010 г.

8. Патент РФ №2397475 С1 от 20.08.2010 г. «Способ определения эффективности смазочных материалов при листовой штамповке» // Абрамов АН., Гизатуллин Р.И., Тюленев Д.Г., Нигматуллин Р.Г., Савельева Н.В., Шолом A.B., Крамер O.JL, Трофимов A.C., Пузырьков Д.Ф., Корнилова О.П., Фазлиахметов Ф.Н., Казаков А.М.

9. Патент РФ №2463577 С1 от 10.10.2012 г. «Способ определения напряжения трения и коэффициента трения при листовой штамповке» // Абрамов А.Н., Гизатуллин Р.И., Тюленев Д.Г., Пузырьков Д.Ф., Шолом В.Ю., и др.

10. Гизатуллин Р.И. Определение параметров трения при вытяжке из сталей с применением технологических смазочных материалов с различными физико-химическими свойствами Международная научно-техническая конференция «Трибология - машиностроению», Москва, 2012 г.

11. Патент РФ №2495094 С1 от 10.10.2013 г. «Смазка для холодной обработки металлов давлением» // Шолом. В.Ю., Абрамов А.Н., Савельева Н.В., Фазлиахметов Ф.Н., Гизатуллин Р.И., и др.

Подписано в печать_г. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать ризографическая. Тираж 100 экз. Заказ_.

Гарнитура «Times New Roman». Отпечатано в типографии «ПЕЧАТНЫЙ ДОМЪ» ИП ВЕРКО. Объем 0,9 пл. Уфа, Карла Маркса 12 корп. 4, т/ф: 27-27-600, 27-29-123