автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Усовершенствование методики проектирования прессового оборудования и технологии изготовления электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков

На правах рукописи

0Й4О11 А-'1-1

Семенова Людмила Михайловна

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫХ ИЗДЕЛИЙ Ю ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Специальность: 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (металлургия)»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 1 ОКТ 2010

Москва, 2010 г.

004611148

Работа выполнена в ГО У ВПО Московский государственный вечерний металлургический институт на кафедре «Металловедение и обработка металлов давлением».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кохан Лев Соломонович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кобелев Анатолий Германович

кандидат технических наук, доцент Алдунин Анатолий Васильевич

Ведущая организация:

ОАО «Авиапромналадка»

Защита состоится «03» ноября 2010 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.127.01 при ГОУ ВПО Московский государственный вечерний металлургический институт по адресу: 111250, г. Москва, ул. Лефортовский вал, 26, ауд. 206.

Телефон: (495) 361-14-80; факс: (495) 361-16-19; e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru

Ваши отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного вечернего металлургического института.

Автореферат разослан «01» октября 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного к. т. н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Научно-технический прогресс, развитие промышленности, появление новых технологий в различных сферах и отраслях - от ракетно-космической и ядерной промышленности до медицины и электротехнического производства -требуют создания новых и совершенствования уже существующих материалов, технологий их изготовления, и прежде всего, применяемого оборудования.

Изготовление трехкомпозиционных электроконтактных изделий требует от оборудования повышенной устойчивости к динамическим нагрузкам и стабильной работы в условиях возникающих сложных термических и знакопеременных напряжений. Для повышения эксплуатационной надежности и увеличения срока службы используемых прессового оборудования и штам-повых инструментов актуальной и своевременной задачей является усовершенствование методики их проектирования.

Расширение номенклатуры производства ставит другую важную и актуальную задачу по разработке новых технологических процессов для производства электроконтактов с заданными физико-механическими, химическими и кинетическими свойствами. Данный вопрос решается подбором оборудования и технологических операций обработки трехкомпонентных композитов, использованием материалов высокого качества, регулированием состава.

Основоположниками новых направлений в порошковой металлургической промышленности и других отраслях науки и техники и совершенствования оборудования являются Аксенов Г. И., Бальшин М. Ю., Виноградов П. А., Григорьев А. К., Дмитриев А. М., Каташинский В. П., Кипарисов С. С., Кохан Л. С., Лаптев А. М., Либенсон Г. А., Лукашкин Н. Д., Овчинников А. Г., Рудской А. И., Сорокин В. В., Субич В. Н., Шестаков Н. А., Грин Р. Дж., Ояне М., Хилл Р., Шима С. и др. ученые.

Таким образом, проводимая исследовательская работа по усовершенствованию оборудования, технологии производства и получения новых трехкомпонентных композиционных материалов из скомпактирозанных спеченных металлических порошков на сегодняшний день является актуальной и направлена на решение современных научно-технических задач и вопросов.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является оптимизация методов проектирования оборудования и разработка нового методологического подхода к технологии при производстве электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических композиционных материалов.

Достижение поставленной цели в исследовательской работе предполагает решение следующих задач:

1. Анализ существующих технических решений в отечественной и зарубежной практике, направленных на совершенствование оборудования и технологии получения электротехнических изделий из трехкомпонентных композиционных материалов «железо-медь-цинк» и «железо-медь-никель».

2. Уточнение методов проектирования технологического оборудования, используемого для производства электроконтактов из трехкомпонент-ных металлических порошков.

3. Совершенствование и разработка аналитических зависимостей для определения деформационных, силовых, физических и кинематических параметров при компактировании, прямом и обратном прессовании электроконтактных изделий из трехкомпонентных композитов.

4. Экспериментальное и теоретическое исследование деформационных, кинематических и силовых параметров процессов формоизменения трехкомпонентных композиционных материалов.

5. На основе проведенных исследований усовершенствовать технологические процессы получения многокомпонентных композитов из металлических порошков.

Научная новизна работы

Проведенный анализ существующих технических теорий в ходе исследовательской работы позволяет говорить о научной новизне разработанных методик:

1.Экспериментальные исследования позволили разработать аналитическую модель для расчета температурных полей инструмента, используемого при компактировании и прессовании электроконтактов на основе трехкомпонентных металлических композитов.

2. Выявленные закономерности изменения температуры послужили основой для расчета термических знакопеременных напряжений в технологическом инструменте.

3. Выполненный расчет динамических нагрузок на инструмент и оборудование, которые возникают при компактировании и прессовании трехкомпонентных композитов, показал, что вследствие уменьшения пористости нагрузка возрастает до двух раз по сравнению с типовым расчетом на контактные напряжения.

4. Выполненные исследования позволили усовершенствовать методику проектирования штампового инструмента в соответствии с требуемыми показателями запаса циклической и усталостной прочности при компактировании и прессовании пористых металлических материалов.

5. Предложенные аналитические зависимости и отработанная методика позволяют осуществить выбор состава и концентрации металлических порошков для изготовления электроконтактных изделий в соответствии с заданными физико-механическими свойствами: плотностью, прочностью, пластичностью, электро- и теплопроводностью, удельным электросопротивлением, коррозионной стойкостью и износостойкостью, однородными по всему объему заготовки.

Практическая значимость проведенных исследований

Практическая значимость диссертационной работы заключается в комплексной теоретической разработке методических рекомендаций по расчету оборудования, применяемых инструментов и выбору технологических режимов при производстве электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков.

1. Разработана методика расчета технологических параметров применяемого инструмента на контактную прочность и возникающие температурные на-

пряжения при компактировании и прессовании трехкомпонентных заготовок из металлических порошков, позволяющая повысить эксплуатационные свойства

2. Отработана методика выбора технологических режимов обработки трехкомпонентных металлических порошковых заготовок, позволяющая установить технологические нагрузки при процессах компактирования и прессования для выбора оптимального оборудования.

3. Предложена методика оптимизации технологического производства электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических заготовок, которая позволяет получать заданные электротехнические свойства при последующей эксплуатации.

4. Предложенная методика проектирования технологического инструмента, технологическая схема и режим производства электроконтактов из трехкомпонентных спеченных металлических композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк» прошли опытное внедрение да ОАО «Авиа-промналадка» (г. Москва) и ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола).

5. Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре «Металловедение и обработка металлов давлением» МГВМИ при чтении курса лекций «Технология получения и обработка изделий из порошковых материалов» и при проведении курсовых научно-исследовательских работ.

Апробация работы

Основные положения данной диссертационной работы были представлены и обсуждались на научных конференциях Московского государственного вечернего металлургического института в 2008,2009 гг.

Публикации

Основные положения рассматриваемых в ходе исследований диссертации вопросов отражены в 7 статьях, опубликованных в ведущих журналах, рекомендованных ВАК России.

Обьем и структура диссертационной работы

Работа диссертанта представлена на 145 страницах машинописного текста. Структура работы соответствует принятым стандартам и состоит из введения и заключения, 4-х глав, библиографического списка и приложений. Работа содержит выводы, рисунки (83) и таблицы (40); библиографический список используемых источников состоит из 64 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Вводная часть содержит обоснование проводимых исследований, показывает их актуальность и своевременность. Во введении формулируется цель работы и уточняются задачи для дальнейших исследований.

Первая глава

Данная часть диссертационной работы содержит аналитический обзор существующих основных направлений и методов исследования оборудования и технологических процессов порошковой металлургии. Рассмотрена технология обработки металлических порошков и их маркировка.

Приведена классификация существующего оборудования для контактирования, спекания и процессов прессования электроконтактных изделий цилиндрических и трубчатых конструкций.

Широкое применение в производстве деталей для электротехнической промышленности находят железные, медные, никелевые, цинковые, оловянные, хромистые и др. металлические порошки. В разделе приводятся классификации, физико-механические и химические свойства используемых металлических порошков и области их применения.

В главе анализируются современные научные теории прочности, особенности условий компактирования, спекания и прессования металлических композитов, рассматриваются различные подходы, методики и методы решения инженерных задач.

Показано влияние упрочнения и плотности на величину сопротивления пластической деформации композитов. На рис. 1 и 2 приведены графики зависимости сопротивления пластической деформации стт однокомпоненгных железных и медных порошков от упрочения и плотности (по Шестакову Н. А.).

Сопротивление астической деформации, сХтМПа = § Н § Н 8

_а Купр ПЖ4М2 • Купр ПМС-1

<Д- — ®

0 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Относительная деформация, с

Рис. 1. Кривые упрочнения спеченных порошков меди (ПМС-1) и железа (ПЖ4М2)

О 0.2 0,4 0,5 0,6 0,8 0,8 Относительная деформация, с

Рис. 2. Сопротивление пластической деформации железного порошка

Обзор существующих теоретических исследований показал, что для определения характеристик и свойств металлических композитов существует два подхода. Одним из методов определения физико-механических свойств является «метод смеси». В этом случае физический параметр определяется суммарным произведением свойства на концентрацию. Другой подход - это «метод композитов», когда в расчетах учитываются влияние относительной плотности и параметр пористости.

На основании проведенного анализа в работе будут решаться конкретные задачи, связанные с усовершенствованием оборудования, инструмента и технологических режимов для производства трехкомпонентных электроконтактов.

Вторая глава

Данная часть диссертационной работы посвящена проведению экспериментов по процессам компактирования, спекания и прессования трехком-понентных композиционных материалов на основе металлических порошков. Приводится описание используемого при исследованиях технологического оборудования и инструментов. Изложены методики проведения экспериментов и обработки полученных опытных данных.

Экспериментальные работы по исследованию технологических процессов компактирования и прессования заготовок и изделий из металлических порошков проводились в лаборатории и на оборудовании кафедры М и ОМД института МГВМИ.

Первый этап эксперимента связан с определением характера изменения усилия при процессах компактирования и прессования пористых трехкомпо-нентных композитов, используемых для электроконтактов. С этой целью по заводским технологиям были изготовлены заготовки из композита «железо-медь-никель» с концентрацией компонентов Кж =0,6; Ки = 0,3 и Кн =0,1.

Окончательная заготовка имела трубчатый профиль с наружным диаметром 40 мм, толщиной стенок 10 мм и глубиной 16 мм. Исследования проводились на прессе Р-20 с усилием от 0,12 до 0,18 МН. Относительные плотности заготовок составили 0,57; 0,66 и 0,73. Для измерения усилия использовалась стандартная тензометрическая аппаратура. График изменения динамического усилия го времени при процессе компактирования заготовки р = 0,57 приведен на рис. 3.

р,ми

0,146. 0,135 0,124 0,106

0,1

0,45 0,55 /, с

Рис. 3. Динамичность усилия при компаюпировании заготовки «железо-медь-никель» с концентрацией Кж = 0,6, К» = 0,3, Кн = 0,1

Анализ графика показывает наличие колебательного процесса, возникающего из-за переменной пористости композиционного материала и жесткости оборудования. График состоит из трех зон - этапа роста нагрузки, этапа установившегося движения и этапа сброса нагрузки.

В табл. 1. представлены результаты экспериментальных исследований усилий и расчетной величины коэффициента динамичности

(1)

Таблица 1

Экспериментальные данные исследуемых заготовок

Процесс с с о* 2 Относительная плотность, р„„1 Максимальное усилие, Рт». МН Среднее усилие, Рср, МН Начальное усилие, Ривч, МН I з: | 5 о. га ~ 1 8-1 Коэффициент I динамичности ! при росте нагрузки , КЛ Коэффициент динамичности при сбросе нагрузки, Кдсв

6 а. 1 0,57 0,145 0,125 0,106 0,134 1,368 1,264

2 0,57 0,147 0,126 0,108 0,137 1,361 1,269

ь ? ™ га 3 0,57 0,144 0,124 0,104 0,132 1,385 1,269

4 0,57 0,149 0,123 0,103 0,133 1,447 1,291

5 ш (Э 5 0,57 0,146 0,121 0,107 0,137 1,364 1,280

средн. 0,57 0,146 0,124 0,106 0,135 1,384 1,275

1 0,66 0,171 0,156 0,141 0,16 1,213 1,135

О! О 8 § 2 0,66 0,173 0,158 0,143 0,162 1,210 1,133

3 0,66 0,176 0,161 0,145 0,164 1,214 1,131

о 1 в) 1 4 0,66 0,175 0,159 0,143 0,165 1,224 1,154

С. 5 0,66 0,172 0,156 0,14 0,198 1,229 1,414

средн. 0,66 0,173 0,158 0,142 0,169 1,218 1,184

1 0,73 0,224 0,207 0.19 0,215 1,179 1,132

га 2 0,73 0,23 0,217 0,204 0,22 1,127 1,078

8 8 3 0,73 0,228 0,223 0.198 0,217 1,152 1,096

О х а> 1 4 0,73 0,222 0,205 0,188 0,214 1,181 1,138

(X С 5 0,73 0,223 0,212 0,192 0,21 1,161 1,094

средн. 0,73 0,225 0,213 0,194 0,215 1,160 1,107

Анализ полученных данных показывает, что максимальное значение коэффициента динамичности больше при компактировании, что объясняется более высокой пористостью, чем при установившемся режиме. При сбросе нагрузки коэффициент динамичности уменьшается, так как плотность увеличивается. Максимальное значение коэффициента динамичности не превышает 1,39-1,45

Для подтверждения результатов испытания на прессование проводились на 100 т прессе на партии из пяти образцов.

Полученные результаты силовых параметров при работе оборудования будут использованы в дальнейших теоретических исследованиях на прочность.

Изучение влияния температуры на прочность инструмента осуществлялось на тех же заготовках с применением термопары и регистрирующей аппаратуры. Проводимые исследования показали, что при формообразующих процессах (рис. 4) происходит саморазогрев электроконтактных изделий.

Исследования показали, что для образца электроконтакта из композита «железо-медь-никель» на нижней поверхности штампа температура не превышает 93 "С, а на верхнем -103 "С, перепад температур составил порядка 10 "С. График температурного поля приведен на рис, 5, распределение температуры описывается квадратичной функцией.

Высота днища матрицы

Рис. 5. Изменение температурного поля в инструменте по толщине днища матрицы

Полученные результаты исследований послужат базой для дальнейших расчетов силовых и термических напряжений.

Проектирование технологического режима предполагает детализированную отработку операций компактирования, спекания, прессования. Эксперименты по технологии осуществлялись при использовании трехкомпо-нентных композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк» с различной концентрацией порошковых компонентов (Кж = 0,5 4- 0,7; Ки = 0,2 -г 0,3; £„=0,1 + 0,3; *ц= 0,1).

Дополнительно проводились исследования четырехкомпозиционного материала «железо-медь-никель-хром» (Кж=0,6; Кы =0,15; Кп = 0,15; Кх=0,2).

По заданной концентрации для каждого композита взвешиванием были приготовлены смеси. После тщательного перемешивания производилась засыпка полученной однородной смеси в штампы цилиндрических форм и двустороннее компактирование заготовок с кантовкой 180° методом холодной осадки усилием в 0,1; 0,14; 0,16; 0,18 МН. Полученные заготовки затем подвергались геометрическим замерам, взвешиванию и маркировке.

Результаты экспериментальных исследований относительной плотности от величины обжатия и оказываемого давления приведены графически на рис. 6 и 7. Изменение коэффициента трения от давления при компактировании показано на рис. 8. На рисунках также приведены аппроксимации. Функции сравниваются по содержанию (концентрации) медного порошка (20,30 %).

0,90 . 0,85 § 0,80 £ - 0,75 § I 0,70 к s 0,65 5 § 0,60 i | 0,55 | Я 0,50 I 0,45 5 0,40

0,25 0,31 0,37 0,51 0.56 0,59

относительное обжатие, с

р = 0,0б£ + 0,5049

р = 0,032£ +0,4513

♦ медь 30% ▲ медь 20%

Рис. 6. Зависимость относительной плотности заготовок от величины обжатия при компактироввнии

р = 0,065с, +0,48 р = 0,0535с, * 0,4873

♦медь 30% А медь 20%

56,95 114,16 171,88 давление компактарования, а, МПа

Рис. 7. Изменение относительной плотности заготовок от давления компактирования

♦ медь 30% д медь 20 %

f =0,217 - 0,035аг f =0,255 - 0,065ог

56,13 112,26 168,74 198,06 254,65 давление компахтирования, а, МПа

Рис. S. Изменение коэффициента трения от давления при компактировании

Следующий этапом экспериментов было исследование процесса спекания. Спекание полученных заготовок осуществлялось в промышленных печах в восстановительной среде водорода исключения образования окалины. Для скомпактированных заготовок композита «железо-медь-никель» температура поддерживалась на уровне 890 - 950 "С. Спекание заготовок из композита «железо-медь-цинк» проводилось при температуре 750 - 800 "С. Время спекания заготовок составило не более 30 мин. Снятые и остывшие заготовки снова подвергали замерам и взвешивали.

Результаты проведенных экспериментальных исследований процесса спекания графически представлены на рис. 9. Величины сравниваются по содержанию (концентрации) медного компонента (20 и 30 %).

1 0.85 & £ 0,80 § ?! 0,75 О ! 0,70 § | 0,65 3 5 0,60 о 5 0,55

р = 0,0825az + 0,546 р= 0,0591о,+0,556 ♦ медь 30% после спек. А медь 20 % после спек.

—i к

i i

56,95 114,16 171,88 давление, а, МПа

Рис. 9. Изменение величины относительной плотности после операции спекания

Анализ спекания композитов из трехкомпонентных скомпактирован-ных металлических порошков наблюдается процесс усадки заготовок. Было установлено, что после спекания композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк» относительная плотность полученных деталей увеличивается примерно на 9-11 % по сравнению с плотностью после процесса ком-пактирования:

PoTH.cn =(1,09*1,1)Ротн./- (2)

Далее проводились исследования силовых и деформационных параметров при прямом и обратном прессовании скомпактированных спеченных заготовок. Полученные результаты изменения относительной плотности от давления прессования представлены графически на рис. 10.

87,26 89,12 96,55 101,62 113,66 Давление прессования, а„ МПа

♦ Ре-60%, Си-30%, N¡-10%

■ Ре -50%, Си -30%, N¡-20%

А Ре - 70%, Си - 20%, N1 -10 %

• Ре-70%, Си-20%. 2п-10 %

Рис. 10. Изменение величины относительной плотности от давления прессования

Анализ графиков показывает, что после процессов обратного и прямого прессования относительная плотность заготовок возрастает до 0,9 4- 0,95.

На основе полученных данных были построены графики определения зон растяжения и сжатия при пластической деформации, застойной зоны. На рис. 11, 12 представлены графики распределения металла по высоте и верхнему торцу заготовок «железо-медь-цинк» при прямом прессовании с концентрацией меди 20 %. Зоны растяжения и сжатия по нижнему торцу заготовки аналогичны графику по верхнему торцу.

Проведенные экспериментальные исследования процессов компакти-рования, спекания, обратного и прямого прессования трехкомпонентного композита для электроконтактных изделий позволили установить деформационные, кинематические и силовые параметры данных процессов для дальнейших расчетов технологических параметров.

Для уточнения полученных экспериментальных результатов были использованы два метода - метод координатной сетки и анализ микроструктуры, которые показали соответствие результатов.

0) X X о

а

о

2 &

в с

2,15 1,65 1,15 0,65 0,15 -0,35

« . ......♦

* « %

% % ♦ /

' - 4 Ф

4,48 6,52 7,70 9.00 10,55 12,10

высота, 2ср. овщ.

Рис. 11. Зоны растяжения и сжатия по высоте заготовки при прямом прессовании композита гжелезо-медь-цинк» с концентрацией Кд = 0,7, К» = 0,2, Кц = 0,}

о

5

X О

3

о 2 о

6 V

с <

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00

л §

* -0,01

• " \

1 » % %

* *

в

»

3,10 | 6,22 7,80 9,37 10,94 12,50 15,63

радиус, Гер. не«.

Рис. 12. Гоафик зон растяжения и сжатия по радиусу верхней части заготовки при прямом прессовании композита «железо-медь-цим» с концентрацией К* = 0,7, Ки = 0,2, Кц-0,1

Результаты исследований позволяют отработать заданные физико-механические параметры электроконтаетных изделий из трехкомпонентных порошковых композиционных материалов.

Третья глада

Глава посвящается совершенствованию проектирования технологического оборудования, применяемого инструмента и технологического режима при компактировании, прессовании двух- и трехкомпонентных металлических композитов.

В паре электроконтактов из-за интенсивности скольжения возникает недолговечность и быстрый износ токосъемников, что требует повышения как прочностных свойств, так и износостойкости. Одним из самых успешных

решений данного вопроса является производство электроконтактных изделий из порошковых металлических композитов, включая никель, цинк, хром.

Для совершенствования методики проектирования оборудования первоначально решается задача установления основной модели для расчета удельного электросопротивления. Исследуем удельное электросопротивление (Л) порошковых композитов в зависимости от их состава и технологических режимов обработки на примере расчетных теоретических моделей.

Опытные данные показывают, что отличие расчетов по «теории смеси» в виде Я = £ от экспериментальных значений, превышает реальные результаты до 20-30 %.

Исследования показали, что расчет удельного электросопротивления по композиционной модели характеризуется большей точностью, отличие расчетных и экспериментальных значений составляет 3-5 %. По предлагаемой композиционной модели электросопротивление равно:

Д = (3)

где Л,- - удельное электросопротивление, р,- - относительная плотность, гц -показатель пористости, АГ,- - концентрация металлических компонентов.

На рис. 13 представлен график изменения величин удельного электросопротивления композитов на основе железных, медных, цинковых и никелевых порошков от относительной концентрации железного и медного компонентов. Линейный характер функций позволяет вывести аппроксимациионные зависимости.

Язксп = 0,03+0,05К,,/Км Яэксп = 0,036+0,03К,/Км Кэхсп = 0,02+0,051К,,/Км

♦железо-медь Ш железо-медь-цинк А железс-медь-никель

0,2 0,6 1 Отношение концентраций Ка/Км

Рис. 13. Сравнение удельного электросопротивления композитов «железо-медья, «железо-медь-цинк» и «железо-медь-никель» ст относительной концентраций

После уточнения выбора конструкции и состава элекгроконтакта выбирается оборудование и назначается технологический режим. Выбор оборудования проводится системой уравнений баланса работ, когда суммарная работа формоизменения и работа трения приравниваются работе инструмента и выводится зависимость (для цилиндрического электроконтакта при прессовании):

о; и, I о" 0,09 ¡0,08 а §0.07 | г о.об

§ а 0,05

5 §0.04

Й0.03 ¡0,02 5 001

1

у^

1

1

4 2(£^-£>2) (£>?-1>2) где £>к - диаметр контейнера, О - диаметр калибровочного отверстия матрицы, Н - высота заготовки, А^ - дайна пресс-остатка, = 0,2£>к (по нашим исследованиям); д - вытяжка, вычисляется по отношению площадей

ц = (£к/£)2; / - длина калибровочного отверстия штампа,/- коэффициент трения, огт ком- сопротивление пластической деформации композита; а^ -параметр пористости уравнения равновесия, ^ = £а¡К1.

С учетом коэффициента динамичности вычисляется усилие прессования роб ~ °т.ком (5)

где - площадь торца пуансона, Кя - коэффициент динамичности, определенный экспериментально, <Тщ, - относительное давление при прессовании,

"пр = °пр I °т. ком •

Выбранное оборудование для получения электроконтактов обязательно подвергается проверке на контактные и термические напряжения.

Исследования температурных полей инструмента базируются на экспериментальных исследованиях. Формула теплопроводности решается методом Фурье при крайних условиях, и для данного технологического процесса (прессования) формула расчета температуры принимает вид:

Ч

Т

л Ас^О ^заг Л (г Л После ряда упрощений для реальных условий она принимает вид

427.0,55,7л (7)

ср пЕ^Щ! за,.^ где Я0 - начальная высота заготовки, Я - конечная высота заготовки, £>к -наружный диаметр заготовки; £>п - внутренний диаметр заготовки; /о, I] -функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка; д - интенсив-

ность теплового потока, <7 = СТт*заг

1-е 9я0и-б ;

относи-

тельная деформация, 6 = 1- — = 1---—т» КПД П = 0,83; — коэффи-

* (Ас / Ат)

Л

циент теплопроводности, А,заг =0,1рЛ, при р->1 = 0,1; ат - параметр

"У <1

теплоотдачи, ат = 222р лскал/(м • град -с).

Проверка полученной зависимости проводилась расчетным путем и экспериментально для трубной контактной заготовки с толщиной стенок 30 мм, наружным диаметром 200 мм, внутренним диаметром 175 мм и высотой 60 мм.

Расчеты показали, что на верхнем торце дншца заготовки температура составляет Гверх =97,9 °С, на нижнем торце - Гщ^д, =89,3 °С, что соответствует экспериментальному результату исследований верхнего торца днища матрицы, отличие не превышает 3 - 5 %.

Для расчета температуры в качестве одного из основных параметров используется интенсивность теплового потока д, которая зависит от геометрии контакта и сопротивления пластической деформации композита.

Проведенные теоретические исследования позволили установить аналитическую зависимость сопротивления пластической деформации и давления прессования при формообразовании трубных электроконтактов при переменной плотности (по Григорьеву А. А. и Рудскому А. И.):

Зпр =

'пр

5т

_ 1пц 3 '

( 2 V 1+4 + 1 V

2 V /. ЬО+р2)!

I и \ ц ;

1+—

4Нт ц АНШ ^П )

я,

пл

созаД,

2(Япл+/п)

А^ПЛ

(8)

где Вп - диаметр пуансона, Нт - высота пластической зоны, /„ - калибрующий торец пуансона, а - угол скольжения.

Аппроксимация полученной зависимости определения относительного давления приведена ниже:

апр = 2,063ц+1,236р-1,889. (9)

На основе аналитического определения давления прессования был проведен расчет прочности штампового инструмента по двум теориям.

По энергетической теории прочности общее расчетное эквивалентное напряжение составит:

сэкв.общ = ^ср страд ~~ страдстср где по нашим исследованиям среднее осевое напряжение стср = ат ком г?пр и по условию пластичности радиальное напряжение Страд = сцс^, а< - коэффициент условия пластичности, определяемый по «методу смеси».

Дополнительно учитывается величина осевого термического напряжения:

°терм.ос. =°терм.рад.+ сттерм.таиг.» О®)

где тангенциальные и радиальные напряжения равны между собой и

ЕХАТ

- = сгт

г, где V - коэффициент Пуассона, V = —

-"терм.рад. _ ^ _ ^ ~ "терм.танг.» ----т г—.--------^--------. 2

По второй теории прочности Беляева Н. М. величина максимального напряжения лимитируется циклической прочностью:

г0 у- пп

[ вын] (1-*)[о+1]+(1+*)[а-,Г (11)

где [о+1] - предел усталости при симметричном напряжении, [0+]] = О,8[ов], [о.,] - предел усталости при ассиметричном напряжении, [а_]]=0,4[ав], коэффициент цикличности г = а2 „щ, / а2тзх.

Полученный результат проверяется на запас прочности

V - [рвын] /10\

Лзап. проч.- _ •

°терм.ос.

По нашим исследованиям для заданного электроконтакта величина запаса прочности вполне удовлетворяет практическим величинам,

^зап. проч.= 3 -г-5 %.

Большинство исследователей не рассчитывает прочность самих электроконтактов, однако в случае трехкомпозиционного контакта его прочность следует проверить.

Лимитированная величина предела прочности равна:

^в]«^ = 0,60СТв. (13)

Значение предела прочности композита зависит от пределов прочности железного, медного, никелевого и цинкового компонентов. В диссертации приведена методика расчета предела прочности на основе композиционной модели для трех компонентов. Расчет проводится по величине контактного давления и по термическим напряжениям:

сттерм =£комДЗ"^ком> (14)

где £ком - модуль упругости, Хком - коэффициент линейного расширения композита, ДТ - разница температур. Величины модуля упругости и коэффициент линейного расширения определяются по композиционной модели:

¿ком = Кои = р¡"'К,: (15, 16)

Полученная величина напряжения сравнивается с предельным эквивалентным напряжением и напряжением выносливости по коэффициенту запаса прочности.

В заключении приводится анализ исследования прочности оборудования и инструмента в динамическом режиме. С этой целью составляются уравнения движения, где учитывается линейный характер усилия согласно проведенным экспериментальным исследованиям:

тг + сг = Рнач + Руст///р, (17)

где Ртч - усилие при росте нагрузки, Руст - установившееся усилие, /р -время до установившегося процесса при текущем времени (, т- масса заготовки, г - ускорение, с - жесткость системы (штамп-изделие), со = -Щт -частота собственных колебаний, г - путь пуансона от высоты заготовки до днища, <р - угол сдвига.

Решение дифференциального уравнения проводится обычными методами для собственных и для вынужденных колебаний. Для роста нагрузки получено решение наибольшего значения коэффициента динамичности:

та.

/■ \ 1 (Р ^ уст

+

с с(0 0) V Р /

V

8ш(о/р+ф)+Рнач+/>уст

(Ртч+Руп)- (18)

При сбросе нагрузки аналогично:

Кд = 1+ 11 +

1

ю2/и

(О'сб)

-БШф.

(19)

Эксперименты показали, что при росте нагрузки при плотности заготовки р = 0,73 коэффициент динамичности равен Кд = 1,2 (отличие от эксперимента составляет 3-5 %).

Особенностью в расчетах прочности инструментов для прессования порошковых электроконтактов является повышенное контактное кагружение по кромке пуансона (рис. 14), которое возникает из-за мелкозернистой структуры композита.

Рис. 14. Схема контактного нагружения пуансона

По исследованию Штаермана И. Я. максимальное давление определяется зависимостью

тах ~ Кк(г/ А,). (20)

где а2 - осевое напряжение, а2 = сгТ К0М Кд; Кк - коэффициент концентрации нагрузки, г - радиус скругления пуансона, Оп- диаметр пуансона.

Используя данную зависимость, были получены экспериментальные величины для расчета осевых напряжений в углах пуансона.

Отработанная методика проектирования и полученные аналитические решения позволяют повысить эксплуатационные параметры применяемого оборудования и инструмента, их долговечность и надежность. Аналогичный анализ прочности электроконтактных изделий так же позволяет установить заданные физико-механические свойства, включая их надежность и долговечность.

Четвертая глава

Данная часть диссертационной работы посвящена результатам теоретических исследований процессов компакгирования и прессования трех- и четы-рехкомпонентных композитов на основе металлических порошков.

Для исследования трехкомпонентных композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк» представим данный материал в виде трех парных металлических структур: «железо-медь», «медь-никель», «железо-никель» и «железо-медь», «медь-цинк», «железо-цинк».

На границе материалов устанавливается равновесие контактных напряжений компонентов (по Лаптеву А. М., Лукашкину Н. Д., Кохану Л. С.) и взаимодействие между отдельными частицами равно:

®Т1РР=®Т2Р?. (21)

где от/ - сопротивление пластической деформации, р1 — относительная плотность, щ - показатель пористости входящих в состав композита металлических порошков.

Относительная плотность медного компонента для биметаллической структуры «железо-медь» из формулы (18) будет иметь вид:

Рм:

■Л/гь

(21.1)

По справочным данным (Целиков А. И., Лукашкин Н. Д., Кохан Л. С.) величины сопротивления пластической деформации и показателя пористости для железного, медного, никелевого и цинкового порошков по ряду плотностей заготовок от 0,5 до 0,95 определяются относительные плотности парных компонентов. На рис. 15 показаны графики относительных плотностей металлических компонентов в зависимости от относительной плотности железного порошка.

♦ цинк ■ никель ▲ медь

0,6 0,7 0,8 0,9 Относительная плотность железного порошка, р*

Рис. 15. Влияние относительной плотности железа на плотности других металлических компонентов в композитах «гжелезо-медь-никель» и «железо-медь-цинк»

По методу наименьших квадратов устанавливаются статистические линейные зависимости плотностей для двухкомпонешных пар, и таким образом, устанавливается взаимосвязь между всеми относительными плотностями. При общей концентрации всех компонентов композиционных металлических заготовок относительная плотность составит по «правилу смеси»:

Р = Рж*ж + Рм*м + Рн*н и р = Рж^ж + Рм*м + Рц^ц • (22) Используя полученные парные зависимости и плотность (22) определяется общая относительная плотность для исследуемых композитов: Ржмн =РЖКЖ +1,5ржА:м +0365+1,545ржКн+0,248£н и Ржмц=РА+^м(1»5рж-0»365)+^ц(2^5рк-036455). (23)

Из установленных зависимостей можно вычислить плотность железного компонента от общей плотности композита р и концентраций других составляющих для дальнейших технологических расчетов:

_ Ржми+0.365^+0,248^ ' _ Ржмц+0>365КМ+0,6455£д Рж *ж+1,5*м+1,545*н Рж КЖ+1,5КМ+2,25КЦ "

(24)

Сопротивление пластической деформации для трехкомпонентных металлических заготовок «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк» определяются с учетом концентраций, относительных плотностей и показателя пористости:

ккж Рж* +сгтм К* Рм* + сттв^нРн" и

I =От

сттком -сттж^жРжж +сттм^мРм* +стц^цРцЦ •

(25)

На рис. 16 показано изменение функций пластической деформации в зависимости от относительной плотности трехкомпонентных металлических композитов на основе железных, медных, никелевых или цинковых порошков.

х §

п

X °

о о £

а. к Ь

§1 о £

§

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60

//

Г 1 1

♦ от. ком хелезо-

медь-цинк ■ от. ком железо-медь-никепь

§

0,6 0,7 0,8 0,9 относительная плотность, р,

Рис. 16. Зависимость сопротивления пластической деформации от относительной плотности композитов «железо-медь-цинк» и «железо■ медь-никель» при концентрациях Кж=0Д К*=0,5, К^=0,2иКц=0,2

Анализ опытных исследований показал, что относительные плотности композитов примерно одинаковы, что позволяет использовать их для моделирования процессов.

Экспериментальные расчеты показали, что использование модели расчета по правилу смеси приводят к погрешностям до 20-30 %, композиционная модель расчета отличается от опытных данных на 5-8 %.

В результате проведенных исследований была отработана методика установления физико-механических свойств многокомпонентного композита в зависимости от концентраций компонентов и общей относительной плотности. Было показано, что в зависимости от выбора концентрации можно в широких пределах (до 40-50 %) регулировать параметры композита (например, плотность, прочность) и получать необходимые значения.

Исследование композита «железо-медь-никель-хром» при горячей и холодной обработке

На основе полученных зависимостей были исследованы прочностные и пластические свойства многокомпонентных порошковых скомпактирован-ных и спеченных металлических материалов. Сравнение расчетных данных показывает, что при горячей обработке прочностные свойства композита снижаются примерно в 3,9—4 раза. При этом изменения величины относительного обжатия практически не происходит. Так, при получении заготовки с плотностью р = 0,8 обжатие при холодной обработке составило е=0,306, а при той же плотности при горячей обработке £ = 0,312 (отличие менее 1 %).

Прочностные показатели композита практически не изменились по сравнению с прочностью железной составляющей стт ком /от.ж= 371/380 = 0,976

при р = 0,95+0,98. При этом пластические свойства изменились существенно. Если относительное удлинение железного компонента 6Ж = 0,25, медного 5М = 0,45, никелевого 5Н = 0,35 и хромового 8Х = 0,3, то общее удлинение композита при р а 0,95 и концентрациях Кж = 0,6; Ки =0,15; Кн = 0,15 и Кх = 0,2 составит 5К0М = 0,3. По отношению удлинения данного композита к удлинению железного компонента изменение составило 5ком /Зж = 0,3/0,25 = 1,2 раза.

Для данного композита плотностью р > 0,6 следует применять композиционную модель расчета согласно нашим исследованиям.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют разработать методологическую основу для получения трехкомпо-нентных и четырехкомпонентных композитов с заданными прочностными и пластическими свойствами для требуемых электроконтактных изделий.

Исследование технологических параметров при обратном прессовании круглых трубных заготовок из многокомпонентных композитов

На рис. 17 представлена схема процесса обратного прессования трубных заготовок из металлических композитов.

Рис. 17. Схема обратного прессования трубных заготовок

Из уравнений линий скольжения при наибольшем коэффициенте трения угол скольжения а равен:

1 2/ a = - arceos (26)

2 т/2(1+v) v '

Из крайних значений угла а вычисляется толщина пресс-остатка, практически равная толщине пластической зоны, экспериментальная величина которого исследована во второй главе:

''пр = ^пл = 1/2 ■ Z5tg31,22° = ОДО » (27)

Исходя из равенства объемов заготовки и изделия, рассчитывается высота требуемой заготовки:

#заг = V+ ^ ~/¿)k- (28)

С помощью метода баланса работ, когда внешняя и внутренняя работы равны совершаемой работе инструмента, определим относительное давление обратного прессования (ап = сгп/ат) для профилей круглого сечения по инженерной формуле: ,

(29)

^(Язаг-Апл)! tf-D*

+ f

3 3

£s. + S-+2DKíll+hBll)2ai + Dl\ 4 4

Общее значение среднего давления с учетом коэффициентов упрочнения Кулр и скорости деформации Ки будет равно:

°ср = °т.когДупр^и • (30)

По этой величине рассчитывается усилие прессования и с учетом коэффициента запаса К = 1,15 * 1,5 выбирается пресс:

/>=0српО2/4. (31)

Отличие экспериментальных данных от расчетных составляет поряд ка 4-5 %.

Таким образом, для получения заданных эксплуатационных свойств изделия подбирают соответствующие порошковые компоненты и по предложенной методике отрабатывается технологический режим для их производства.

Выводы по работе

1. Проведен комплекс экспериментальных исследований деформационных и силовых параметров, необходимых для проектирования оборудования и технологического процесса при производстве электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических композитов с целью повышения качества, увеличения срока эксплуатации продукции и снижения нагрузки на рабочие узлы прессов и инструмент за счет введения третьим компонентом порошков цинка или никеля, которые способствуют повышению износо- и коррозионной стойкости, уменьшению контактного трения на 10 - 15 %.

2. Разработаны и экспериментально проверены теоретические зависимости распределения температурного поля в технологическом инструменте при процессах компактирования и прессования элекгроконтактов из композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк», которые позволили усовершенствовать методику расчета термических напряжений.

3. Установлены теоретические зависимости контактных и термических напряжений, возникающих в рабочих узлах и инструменте оборудования при горячих процессах деформирования спеченных заготовок из трехкомпонентных металлических порошков, которые обеспечивают необходимую прочность для предложенных в диссертационной работе предельных усталостных и циклических нагрузок.

4. Разработана и экспериментально проверена теория динамических напряжений, возникающих в технологическом инструменте вследствие уменьшения пористости, роста и сброса нагрузок при операциях компактирования и прессования контактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков с целью определения реального коэффициента динамичности при исследуемых процессах, что позволяет повысить надежность работы оборудования и его долговечность на 10-15 %.

5. Отработана методика выбора технологического режима за счет оптимального подбора величины вытяжки, относительных обжатий (до 30 %) и давлений для обеспечения заданной плотности трехкомпонентных композитов (до 93-95 %), снижения удельного электросопротивления (на 10-15 %), а также повышения износостойкости элекгроконтактных изделий.

6. Предложена и экспериментально проверена физическая композиционная модель для расчета сопротивления пластической деформации, плотности и удельнсго электросопротивления, модуля упругости, коэффициента линейного расширения трехкомпонентных композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк» в зависимости от состава и концентрации металлических компонентов, величины давления при компактировании и прессовании, что повышает точность расчета на применяемой модели смеси на 20-30 %.

7. Предложена технологическая методика, позволяющая с последующей экспериментальной корректировкой осуществить выбор состава и концентрации металлических порошков с целью получения заданных физико-механических (электро-, теплотехнических и прочностных) свойств, равномерно распределенных по всему объему трехкомпонентных металлических заготовок.

8. Предложенная технология получения электроконтактных изделий из композитов «железо-медь-цинк» и «железо-медь-никель» прошла опытное внедрение на ОАО «Авиапромналадка» и ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола).

Публикации по диссертационной работе

1. Семенова Л. М. Физико-механические свойства композита железо-медь-никель// Технология металлов. - М.: Наука и технологии, 2009, №8,-С. 34-36.

2. Кохан Л. С., Семенова Л. М. Оптимизация прочностных и пластических свойств многокомпонентных порошковых скомпактированных металлических материалов// Технология металлов. - М.: Наука и технологии, 2009, №9.-С. 38-41.

3. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Термические напряжения рабочих валков листовых станов// Металлург. ~ М.: Металлургиздат, 2009, №9. -С. 51-53.

4. Кохан Л. С., Шульгин А. В., Семенова Л. М. Физико-механические свойства композита железо-медь-цинк// Металлург. - М.: Металлургиздат, 2010,№7.-С. 60-61.

5. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2010, №7.-С. 30-32.

6. Кохан Л. С., Шульгин А. В., Семенова Л. М. Динамическая прочность инструмента при обработке давлением двух— и трехкомпонентных заготовок из металлических порошков// Металлург. - М.: Металлургиздат, 2010, № 10. -С. 58-62.

7. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Разработка технологических параметров обратного прессования круглых трубных заготовок из многокомпонентных композитов// Известия вузов. Черная металлургия. - М.: МИСиС, 2010, № 6 (в печати).

Подписано в печать /, /0.3,0 {О Формат 60x90 1/16. Объем 4>Г>7./»'Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в ООО КПСФ «Спецстройсервис -92» Отдел оперативной полиграфш 101000, Москва, Мясницкая 35, стр.2

Введение.

Глава 1. Основные направления совершенствования элементов технологического оборудования и процессов изготовления многокомпонентных композиционных материалов на основе металлических порошков.

1.1. Основные направления и методы исследования процессов порошковой металлургии.

1.2. Технология Г1М, маркировка, свойства металлических порошков и методы их контроля.

1.3. Анализ особенностей деформационных связей композиционных материалов.

1.4. Применяемое оборудование.

Расчет элементов оборудования для компактирования, обработки давлением, спекания и нагрева композитов из скомпактированных и спеченных заготовок.

Глава 2. Экспериментальные исследования технологических процессов обработки металлических порошков и оборудования.

2.1. Оборудование, инструменты, материалы для изучения процессов компактирования и прессования.

2.1.1. Оборудование для проведения экспериментов.

2.1.2. Измерительные инструменты.

2.2. Экспериментальные исследования силовых и тепловых нагрузок на технологический инструмент и оборудование при компактировании и прессовании.

2.3. Исследование процесса компактирования трехкомпонентных металлических заготовок.

2.4. Исследование трехкомпонентных композиционных металлических заготовок при спекании

2.5. Экспериментальные исследования процесса прессования скомпактированных и спеченных трехкомпонентных металлических заготовок.

2.5.1. Экспериментальные исследования процесса прямого прессования скомпактированных и спеченных заготовок из композита «железо-медь-цинк».

2.5.2. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования заготовок из композита «железо-медь-никель».

2.5.3. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования скомпактированных и спеченных заготовок из композита с содержанием Fe — 70%, Си — 20%, Ni— 10 %.

2.5.4. Исследования процесса прямого прессования заготовок из композита «железо-медь-цинк» по микроструктуре.

2.6. Выводы по экспериментальным исследованиям.

Глава 3. Совершенствование проектирования технологического оборудования для компактирования, прессования порошковых материалов и технологии изготовления электроконтактов.

3.1. Усовершенствование технологии производства электроконтактных изделий.

Удельное электросопротивление.

3.2. Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков.

3.3. Расчет электроконтактов на прочность.

3.3.1. Определение термических напряжений, возникающих в электроконтактах при эксплуатации.

3.3.2. Композит «железо-медь-никель».

3.3.3. Композит «железо-медь—цинк».

3.3.4. Исследование термических напряжений электроконтактов при эксплуатации.

3.4. Динамическая прочность инструмента при обработке давлением двух- и трехкомпонентных заготовок из металлических порошков.

3.5. Выводы по проектированию оборудования и усовершенствованию технологии изготовления электрических контактов из композиционных материалов

Глава 4. Теоретические исследования силовых и деформационных параметров при компактировании и прессовании многокомпонентных заготовок из металлических порошков для электроконтактных изделий.

4.1. Исследование физико-механических свойств трехкомпонентного композита «железо-медь-цинк».

4.2. Исследование физико-механических свойств композита «железо-медь—никель».

4.3. Прочностные и пластические свойства многокомпонентных порошковых скомпактированных и спеченных металлических материалов.

4.4. Технологические параметры при обратном прессовании круглых трубных заготовок из многокомпонентных композитов.

4.5. Выводы по проведенным теоретическим исследованиям силовых и деформационных параметров многокомпонентных металлических композитов.

Прогресс в высокотехнологических отраслях промышленности не возможен без применения новых конструкционных материалов. В этом отношении порошковая металлургия обладает рядом перспективных направлений, позволяющих получить в одном материале заданные физико-механические свойства при иногда противоположных параметрах. Например, железные порошки обладают высокой прочностью и твердостью. Наоборот, медные порошки в меньшей мере обладают прочностью и в большей — пластичностью, довольно высокими показателями теплопроводности и электропроводности. Композит «железо-медь» позволяет в одном материале синтезировать высокую прочность, пластичность и теплофизические параметры.

Нередко для оборудования требуются детали и изделия высокой долговечности, износоустойчивости, коррозионной стойкости и тогда большое внимание уделяется порошкам хрома, никеля. Невозможность получения сплавов с высоким содержанием указанных элементов традиционными способами вынуждает обращаться к методам порошковой металлургии.

Отечественная и зарубежная техническая литература недостаточное внимание уделяет развитию как технологических процессов получения новых многокомпонентных материалов, так и совершенствованию методов проектирования и созданию оборудования для получения указанных материалов.

Целью проводимой работы является оптимизация методов проектирования технологического оборудования и инструмента, а также разработки технологических режимов получения трехкомпонентных композиционных материалов из металлических порошков для изготовления изделия электрохимической и спецгехники, отличающихся повышенной прочностью, пластичностью и износостойкостью.

Данной задаче отвечает долгосрочный прогноз научно-технологического развития РФ в перспективе развития металлургической отрасли нашей страны на 2015 — 2025 гг. [1, 2]. Прогноз предполагает принципиально новый технологический подход, включающий, в том числе процессы производства продукции из многокомпонентных материалов и композитов в рамках единой технологической схемы. Одним из основных направлений развития и совершенствования области металлургии является повышение эффективности технологической модернизации за счет развития порошковой металлургии (использование вторсырья, функция формообразования и обработки металла).

В этом отношении мировое производство металлических порошков и соответствующей продукции с каждым годом растет. Прогнозируемый средний темп прироста составляет порядка 6 — 8 % за год. За период с 1994 по 2005 гг. рост мирового объема продаж продукции из металлических порошков составил порядка 50 % и достиг 7 млрд. долл. США [3].

Долгосрочный прогноз развития порошковой металлургии еще раз подчеркивает ее роль в модернизации производства. В связи с этим в данной работе ставятся задачи дальнейшего совершенствования технологического оборудования и технологических процессов получения композиционных материалов из двух— и трехкомпонентных порошков, обладающих заданными стабильными физико-механическими свойствами по всему объему и необходимой плотностью для производства электротехнических изделий.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Анализ существующих решений в отечественной и зарубежной практике технических решений, направленных на совершенствование оборудования и технологии получения электротехнических изделий из двух- и трехкомпонентных композиционных материалов.

2. Исследование деформационных, кинематических и силовых параметров процессов компактирования трехкомпонентных композиционных материалов.

3. Совершенствование и разработка аналитических зависимостей для определения деформационных, силовых, физических и кинематических параметров при процессах формообразования - прессования, выдавливания и других изделий из трехкомпонентных композиционных порошковых материалов.

4. Уточнение методов проектирования технологического оборудования, используемого для производства электроконтактных изделий из композиционных двух— и трехкомпонентных материалов.

5. Совершенствование технологических процессов получения многокомпонентных композитов из металлических порошков.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Проведен комплекс экспериментальных исследований деформационных и силовых параметров, необходимых для проектирования оборудования и технологического процесса при производстве электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических композитов с целью повышения качества, увеличения срока эксплуатации продукции и снижения нагрузки на рабочие узлы прессов и инструмент за счет введения третьим компонентом порошков цинка или никеля, которые способствуют повышению износо- и коррозионной стойкости, уменьшению контактного трения на 10 — 15 %.

2. Разработаны и экспериментально проверены теоретические зависимости распределения температурного поля в технологическом инструменте при процессах компактирования и прессования электроконтактов из композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк», которые позволили усовершенствовать методику расчета термических напряжений.

3. Установлены теоретические зависимости контактных и термических напряжений, возникающих в рабочих узлах и инструменте оборудования при горячих процессах деформирования спеченных заготовок из трехкомпонентных металлических порошков, которые обеспечивают необходимую прочность для предложенных в диссертационной работе предельных усталостных и циклических нагрузок.

4. Разработана и экспериментально проверена теория динамических напряжений, возникающих в технологическом инструменте вследствие уменьшения пористости, роста и сброса нагрузок при операциях компактирования и прессования контактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков с целью определения реального коэффициента динамичности при исследуемых процессах, что позволяет повысить надежность работы оборудования и его долговечность на 10-15 %.

5. Отработана методика выбора технологического режима за счет оптимального подбора величины вытяжки, относительных обжатий (до 30 %) и давлений для обеспечения заданной плотности трехкомпонентных композитов (до 93-95 %), снижения удельного электросопротивления (на 10—15 %), а также повышения износостойкости электроконтактных изделий.

6. Предложена и экспериментально проверена физическая композиционная модель для расчета сопротивления пластической деформации, плотности и удельного электросопротивления, модуля упругости, коэффициента линейного расширения трехкомпонентных композитов «железо-медь-^шкель» и «железо-медь-лцнк» в зависимости от состава и концентрации металлических компонентов, величины д авления при компакшровании и прессовании, что повышает точность расчета на применяемой модели смеси на20-30 %.

7. Предложена технологическая методика, позволяющая с последующей экспериментальной корректировкой осуществить выбор состава и концентрации металлических порошков с целью получения заданных физико-механических (электро-, теплотехнических и прочностных) свойств, равномерно распределенных по всему объему трехкомпонентных металлических заготовок.

8. Предложенная технология получения электроконтактных изделий из композитов «железо-медь-цинк» и «железа-медь-никель» прошла опытное внедрение на ОАО «Авиапромналадка» и ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технологический прогресс, инновации в производстве требуют усовершенствования оборудования и инструментов, технологических режимов производства, внедрения новых технологий и разработки новых материалов в порошковой металлургии. Данная отрасль промышленности является перспективной, так как только этому виду производства доступно получение материалов (изделий), которые обладают целым комплексом необходимых и иногда противоречивых свойств и характеристик.

Важность развития отрасли порошковой металлургии [1, 2] позволяет говорить о своевременности, актуальности и значимости проведенных теоретических исследований и экспериментов, направленных на усовершенствование технологического оборудования и процессов получения электроконтактных изделий из двух—, трех— и многокомпонентных металлических порошков с необходимыми физико-механическими характеристиками, а разработанные методики и расчетные методы по оборудованию, технологии, производству изделий решают поставленные в диссертационной работе цели и задачи.

1. Федеральный портал о городах России. Документы. Долгосрочный прогноз научно-технологического развития РФ до 2025 г. web-сайт. <http://protovm.ru/information/doc/4295.html>.

2. Федеральный портал о городах России. Документы. Перспективы развития российской металлургии, web-сайт. <http://protown.ru/information/hide/4487.html>.

3. Законодательство Белоруссии. Государственная программа развития ПМ Беларусии 2006-2010 г., web-сайт.http://www.lawbelarus.com/repub2008/sub30/text30141/index.htm>.

4. Александров С. Е., Пирумов А. Р., Чесникова О. В. Особенности пластического течения пористых материалов в зоне фрикционного контакта // Порошковая металлургия. — Киев: Институт проблем материаловедения им. И. 1-1. Францевича, 2008г. N 9-10. С. 13 - 20.

5. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов /В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин и др. — М., Металлургия, 1987.-792 с. '

6. Мидуков В. В., Рудъ В. Д. Экспериментальная проверка гипотез пластичности пористых металлов. Реологические модели и процессы деформирования пористых порошковых и композитных материалов. — Киев: Наукова думка, 1985. -С. 61- 67.

7. Григорьев А. А., Рудской А. И. Пластическая деформация пористых материалов. Л.: ЛДНТП, 1989. - 28 с.

8. Лукашкин Н: Д., Кохан Л. С., Роберов И. Г. Теория компактирования металлических порошковых материалов. — М. ВИНИТИ, 2004. 235 с.

9. Лукашкин Н. Д., Кохан Л. С., Роберов И. Г. Теория обработки давлением скомпактированных спеченных металлических порошков. — М. ВИНИТИ, 2005. -315 с.

10. Дьяченко И. М. Эффективность развития порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1979. — 52 с.

11. Айзенкольб Ф. Успехи порошковой металлургии/ пер. с нем., под ред. В. П. Елютина. — М.: Металлургия, 1969. — 540 с.

12. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы/ Под ред. В. Шатта. Пер. с нем. — М., Металлургия, 1983. — 520 с.

13. Ермаков С. С., Вязников Н. Ф. Порошковые стали и изделия. — Л.: Машиностроение. Ленинград, отд., 1990. — 319 с.

14. Раковский В. С., Саклинский В. В. Порошковая металлургия в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1973. — 126 с.

15. Федорченко И. М., Андриевский Р. А. Основы порошковой металлургии. К.: АН УССР, 1963. - 420 с.

16. Балыиин М. Ю., Кипарисов С. С. Основы порошковой металлургии. — М.: Металлургия,. 1978. — 184 с.

17. Либенсон Г. А. Производство порошковых изделий. — М.: Металлургия, 1990.-240 с.

18. Грин Р. Дж. Теория пластичности пористых тел // Механика. — М., 1973, №4.-С. 109-120.

19. Shima S. А., Doctoral thesis. Kyoto: Kyoto University, 1975. - 200 p.

20. Shima S., Oyane M. Plasticity theory for porous metal// International Journal of Mechanical Sciences. 1976, V. 18, № 6. - P. 285-291.

21. Эшби M., Джоне Д. Конструкционные материалы. Полный курс, пер. с англ. — Долгопрудный: Интеллект, 2010. — 672 с.

22. Хилл Р. Математическая теория пластичности. — М.: Гостехиздат, 1956.-408 с.

23. Металлические порошки и порошковые материалы: Справочник/ Бабич Б. Н., Вершинина Е. В., Глебов В. А. и др. Под ред. Левинского Ю. В. — М: ЭКОМЕТ, 2005. 520 с.

24. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справочник. — М.: Металлургия, 1982. — 479 с.

25. Зарипов Н. Г1 Технологические основы порошковой металлургии, web-сайт. <http://nayilz.narod.ru/PorMet/soder.html>

26. ГОСТ 9849-86. Порошок железный. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. — 9 с.

27. ГОСТ 4960-75. Порошок медный электролитический. Технические условия. -М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. — 10 с.

28. ГОСТ 12601-76. Порошок цинковый. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1997. - 22 с.

29. ГОСТ 9722-97. Порошок никелевый. Технические условия. — М.: Межгосударственный совет по стандартизации, серологии и сертификации, 1998. 10 с.

30. Друянов Б. А. Прикладная теория пластичности пористых тел. — М.: Машиностроение, 1989. —230 с.

31. Шестаков Н. А. Исследование влияния напряжений всестороннего сжатия на компактирование пористых материалов// Вестник МГТУ. М.: Машиностроение, 2002, №3.

32. Лаптев А. М, Подлесный С. В., Малюский В. Л. Расчет давлений при изостатическом прессовании порошковых материалов// Известия вузов. Черная металлургия. М.: МИСиС, 1987, №1. - С. 88-90.

33. Логинова Ю .Н. Вариационное решение задач формоизменения пористого цилиндра при осадке с прилипанием// Известия вузов. Черная металлургия. -М.: МИСиС, 1997, №11. С. 38-41.

34. Колмогоров В. Л. Напряжения, деформации, разрушения. — М.: Металлургия, 1970. — 229 с.

35. Колмогоров В. Л. Пластичность и разрушения. — М.: Металлургия, 1983.-229 с.

36. Сторожев М. В. Попов Е. А. Обработка металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1977.— 423 с.

37. Никольская Л. Н., Русанов Б. В., Фридберг И. Д. О функции пористости, учитывающей контакты частиц в прессовках// Порошковая металлургия. — Киев: Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича, 1966, №6.-208 с.

38. Кохан Л. С., Лукашкин Н. Д. Особенности компактирования металлических порошков для прокатки заготовок// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2000, №5. — С.28-32.

39. Лукашкин Н. Д., Кохан Л. С. Компактирование разнородных порошков// Известия вузов. Черная металлургия.—М.: МИСиС, 2001, №11. -С. 34-38.

40. Кохан Л. С. Управление процессами компактирования композиционных материалов из металлических порошков// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2001, №12. — С. 13-16.

41. Кохан Л. С., Лукашкин Н. Д. Компактирование металлических порошков при монотонных деформационных процессах// Известия вузов. Черная металлургия. М.: МИСиС, 2002, №7. - С. 29-31.

42. Лаптев А. М. Анализ формования и допрессовки пористых втулок методом тонких сечений//Порошковая металлургия — 1988, №7. — С с.44-48.

43. Обработка давлением металлов и заготовок из скомпактированных спеченных металлических порошков/ Кохан Л. С., Коростелев А. Б., Роберов И. Г., Мочалов Н. А. М.: МГВМИ, 2008. - 254 с.

44. Обработка давлением металлических материалов/ Кохан JI. С., Коростелев А. Б., Роберов И. Г., Мочалов Н. А. М.: МГВМИ, 2009. - 520 с.

45. Кипарисов С. С., Падалко О. В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1988. — 448 с.

46. Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. — М.: Металлургия, 1991. — 496 с.

47. Штампы для горячего деформирования металла/ Тылкин М. А. Васильев Д. И., Рогалев А. М. и др. — М.: Высшая школа, 1977. — 496 с.

48. Довыденков В. А., Кохан Л. С. Обработка композиционных материалов на основе гранул и металлических порошков: монография. — Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2009. — 144 с.

49. Жданов Л. С., Маранджян В. А. Курс физики: Для средних специальных заведений: учебное пособие. — М.: Наука, 1968. 463 с.

50. Берент В. Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. — М.: Интертекст, 2005. — 408 с.

51. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2010,№7.-С. 30-33.

52. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Термические напряжения рабочих валков листовых станов// Металлург. — М.: Металлургиздат, 2009, №9. — С. 51-53.

53. Машины и агрегаты металлургических заводов. Учебник для вузов/ Целиков А. И., Королев А. А., Зюзин В. И. и др. — М.: Металлургия, 1988. — 680 с.

54. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. — М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва Наука, 1976. — 608 с.

55. Кохан Л. С., Шульгин А. В., Семенова Л. М. Динамическая прочность инструмента при обработке давлением двух— и трехкомпонентных заготовок из металлических порошков// Металлург. — М.: Металлургиздат, 2010, №10. — С. 58-62.

56. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.

57. Штаерман И. Л. Контактная задача теории упругости. — М.: Гос-техиздат, 1949. 270 с.

58. Теория прокатки: Справ./ А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин и др. — М.: Металлургия, 1982. — 335 с.

59. Кохан Л. С., Шульгин А. В., Семенова Л. М. Физико-механические свойства композита железо-медь-цинк// Металлург. — М.: Металлургиздат, 2010, № 7. — С. 30-32.

60. Семенова Л. М. Физико-механические свойства композита железоняедь-никель// Технология металлов.—М.: Наука и технологии, 2009, № 8. — С. 34—36.

61. Кохан Л. С., Семенова Л. М. Оптимизация прочностных и пластических свойств многокомпонентных порошковых скомпактированных металлических материалов// Технология металлов. — М: Наука и технологии, 2009, № 8.—С. 38-40.

62. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Разработка технологических параметров обратного прессования круглых трубных заготовок из многокомпонентных композитов// Известия вузов. Черная металлургия. — М.: МИСиС, 2010, №9.-С. 38-40.