Экспериментальное определение коэффициента трения в обработке металлов давлением

При эрозионном износе с поверхности лопаток происходит унос алитированного слоя, что приводит к обеднению покрытия — снижение глубины и качества, нарушается защитная окисная пленка. В результате нарушения сплошности пленки окиси алюминия, под воздействием агрессивной среды происходит разрушение.

В процессе адсорбции алюминия никелем при 950° происходит диффузия алюминия вглубь, а никеля — к поверхности никелевого образца.

В начальный период работы алитированный слой существенно не изменяется. С увеличением длительности испытания первая зона алитированного слоя обедняется алюминием за счет образования на поверхности окислов и за счет диффузии алюминия в основной металл. После 900 часов содержание его в первой зоне снижается в два раза по сравнению с исходным состоянием [3]. Сильно увеличивается протяженность второй зоны слоя. Следует отметить, что диффузия легирующих элементов из второй зоны слоя происходит в основной металл, а не к поверхности, то есть не в первую зону слоя. Отдельные включения во второй зоне становятся более крупными и вытягиваются в направлении основного металла.

Таким образом, становится ясно, что уже к третьему своему межремонтному ресурсу 900 — 1000 часов приповерхностные слои сильно обеднены алюминием на всю глубину алитированного слоя, это означает, во-первых, достаточно высокий химический потенциал, за счет образования вакансий, а во-вторых, низкую концентрацию алюминия.

Это два основных условия, которые необходимы для успешного диффузионного насыщения.

Также при работе под воздействием температурных колебаний, центробежных нагрузок, изгибных напряжений от потока рабочего тела газовоздушного тракта происходит вытяжка лопаток, деформация

кристаллов, благодаря чему открывается путь для диффузии по границам зерен.

Указанные факторы являются определяющими для возможности проведения «доалитирования» взамен переалитирования, что имеет помимо всего прочего и существенный эконономический эффект. Применение такой технологии позволит сократить цикл ремонта в 4 раза, сохранит материальную часть двигателей. При этом не стоит забывать, что ремонт турбинных лопаток — наиболее продолжительный среди всех узлов, именно он диктует сроки ремонта всего двигателя в целом. Следовательно, введение «доалитирования» лопаток позволит увеличить годовые объемы проводимого ремонта.

Библиографический список

1. Методические указания РД50-412-83. Надежность в технике. Упрочнение деталей машин. Выбор режимов алитирова-ния по долговечности. Общие требования. — М. : Издательство стандартов, 1984. — 27 с.

2. Бокштейн, Б. С. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах / Б. С. Бокштейн, С. З. Бокштейн, А. А. Жу-ховицкий. — М. : Металлургия, 1974. —280 с.

3. Гордеева, Т. А. Влияние условий испытания на состояние поверхностного слоя лопаток соплового аппарата / Т. А. Гордеева, С. Т. Кишкин // Температуроустойчивые защитные покрытия : тр. III семинара по жаростойким покрытиям. — Л. : Наука, 1968. - С. 165-172.

ТРИФОНОВ Виктор Васильевич, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета, ведущий конструктор ОМО им. П. И. Баранова.

Адрес для переписки: jeton@inbox.ru

Статья поступила в редакцию 30.10.2013 г.

© В. В. Трифонов

УДК 621.77.01:621.73.01

А. Е. ШИРОКОВ В. Г. ШТЕЛЕ

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ В ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

В статье предложена новая схема для определения контактного трения с использованием компьютерного моделирования. Увеличена чувствительность данной технологической схемы относительно предьщущих схем, что способствует повышению точности проведения физического эксперимента и получения сведений о коэффициенте трения. Ключевые слова: коэффициент трения, штамповка, моделирование.

Существенное значение для развития теории и технологии обработки металлов давлением имеет совершенствование методик исследования контактного трения. Полученные сведения о контактном трении позволяют решать ряд практических вопросов:

— увеличение точности и качества поверхности заготовок;

— разработки и освоения эффективных технологических смазочных материалов;

— обеспечения стойкости и надежности работы деформирующего инструмента и т. д.

При точном определении и задании граничных условий на контактных поверхностях в значительной степени возрастает точность результатов теоретического анализа силовых и деформационных режимов процессов формоизменения.

Для процессов объемной штамповки и выдавливания характерны высокие значения контактных дав-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

в

Рис. 1. Известный метод определения коэффициента трения при горячей штамповке[2]

лений, степени обновления поверхности заготовки и скоростей скольжения деформируемого металла. При этом доля несвободных, т. е. контактируемых с инструментом, поверхностей заготовки весьма значительна, что предопределяет зависимость вида напряженно-деформированного состояния, характера заполнения полости штампа или истечения металла, а также формирования структуры и поверхности изделий от условий контактного трения.

Несмотря на сложность определения и задания условий контактного трения, использование трения в технологических целях стало одним из эффективных направлений интенсификации процессов объемно-пластического деформирования [1].

Математические модели требуют задания граничных условий в напряжениях трения. От этого в значительной степени зависит достоверность получаемых результатов. Кроме того, важно правильно оценивать эффективность применяемых смазок в производственных условиях. Поэтому разработка методов и устройств, для определения показателей сил трения в условиях, соответствующих реальным процессам горячей объемной штамповки, имеет важное значение.

Целью данной работы является увеличение чувствительности экспериментальной схемы для определения показателя трения, что, в свою очередь, способствует более точному проведению физического эксперимента и получению сведений о коэффициенте трения.

Способ определения показателей сил трения в виде коэффициентов, которые можно использовать при математическом моделировании реальных

технологических процессов, путем задания граничных условий в напряжениях трения рассмотрен в работе А. И. Володина [2]. Методика определения коэффициента трения заключается в изготовлении образцов равной массы или объема, нанесении на гравюру штампа различных смазок, деформации образцов по технологической схеме, измерении геометрического параметра (длины отростка или высоты поковки), зависящего от условий трения.

Данная схема имеет ряд преимуществ:

— осадка заготовки в шар (рис. 1а, б) позволяет ей базироваться точно по центру штампа второго перехода (рис. 1 в);

— выполнение большей части боковой поверхности штампа для выдавливания наклонной обеспечивает скатывание шара и его центрирование по вертикальной оси.

Проблемой данной схемы деформации является недостаточно высокая чувствительность к определению показателей трения.

Для повышения точности определения коэффициента трения предложена новая схема деформации (рис. 2), с увеличенной величиной поверхности скольжения на которой происходит трение пластически деформируемого материала и инструмента. При проектировании новой схемы сохранились все преимущества предыдущей схемы. Также усовершенствована форма инструмента предварительной штамповки заготовки (рис. 2 а). Осаженная заготовка напоминает элипсообразную форму (рис. 2б) сверху, что способствует минимальному прилипанию поверхности заготовки к поверхности пуансона на первом этапе осадки. Нижняя часть осаженной заго-

б

а

в

Рис. 2. Модифицированная схема определения коэффициента трения при горячей штамповке

товки повторяет сферическую поверхность матрицы, благодаря которой трение начинается уже в начале штамповки, без потери времени на заполнение формы матрицы. Так же такая форма заготовки позволяет укладывать ее в матрицу ровно по центру, что повышает точность эксперимента. В целях увеличения точности физического эксперимента заготовки будем нагревать перед каждой штамповкой.

Технологический процесс состоит из двух переходов:

— осадки цилиндрической заготовки до элипсо-образной заготовки (рис. 2 а);

— штамповки элипсообразной заготовки (рис. 2в).

Для проведения численного эксперимента используем программный комплекс ОГогш 7. Исходными данными являются:

1. Материал образцов: сталь 12Х18Н10Т.

2. Температура нагрева образцов 1200 °С для обоих переходов.

3. Материал инструмента: сталь 5ХНМ.

4. Температура нагрева штампа 20 °С для обоих переходов.

5. Показатели сил трения 0,2 и 0,8. Моделирование проведем для каждого коэффициента отдельно.

6. Перемещение верхнего штампа будем осуществлять до плоскости проходящей по верхнему торцу матрицы и торцу верхнего штампа.

На рис. 3а наблюдается начало осадки элипсо-образной заготовки. Также видно прилипание заго-

товки к поверхности пуансона. Максимальная скорость деформации наблюдается на верхней части заготовки.

Далее площадь контакта заготовки с поверхностью пуансона продолжает увеличиваться. Происходит заполнение матрицы (рис. 3 б). Интенсивность скоростей деформации плавно переходит в нижнюю часть заготовки. В верхнем пояске матрицы скорость течения металла становится равной нулю.

На следующем (рис. 3в) этапе заканчивается заполнение матрицы, происходит появление облоя. Заметно небольшое увеличение скорости течения металла в облой.

На рис. 3г наблюдается начало образования отростка, а также максимальная скорость деформации.

Далее происходит продолжение образования отростка (рис. 3 д), происходит снижение скоростей деформации в нижней части матрицы.

На последнем этапе (рис. 3 е) происходит смыкание верхнего и нижнего инструмента. Завершено заполнение матрицы. Окончательное образование облоя и отростка. Скорость деформации снизилась относительно предыдущего этапа.

Чувствительность схемы деформации определена в абсолютных и относительных величинах изменения высоты поковки при различных условиях трения. Изменение коэффициента трения рассмотрено в диапазоне от у1=0,2 до у2 = 0,8 , что соответствует процессам горячей объемной штамповки [3, 4].

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

Рис. 3. Интенсивность скоростей деформации сдвига

ДКу = Иу1 — Иу2,

Ку = (Ьу1—Ьу2)/Ьу1,

где ДКу — абсолютное изменение высоты; Ку — относительное изменение высоты; Иу1 — высота поковки после выдавливания при у1; И у 2 — высота поковки после выдавливания при у2.

Результаты моделирования процесса по усовершенствованной схеме по коэффициентам изменения высоты поковки при различных показателях сил трения составили: ДКу = 12,8; Ку = 0,219.

Сравнение коэффициентов изменения высоты поковки при различных схемах деформации (рис. 1 и 2) показывает на значительное увеличение чувствительности метода. По старой схеме деформации ДКу = 10,32 мм, а по новой ДКу = 12,8 мм. Соответственно, значения Ку составили 0,125 и 0,219.

Таким образом, относительный коэффициент изменения высоты поковки при изменении показателя сил трения в диапазоне 0,2<Т<0,8 возрос в 1,8 раза.

Новая технологическая схема деформации имеет большую чувствительность относительно предыдущей схемы. Такая чувствительность способствует

б

а

д

е

увеличению точности проведения физического эксперимента и получению сведений о коэффициенте трения. Данная схема подходит для частного определения коэффициента трения для стали 12Х18Н10Т.

Библиографический список

1. Алиев, И. С. Исследование фактора контактного пластического трения / И. С. Алиев, К. Крюгер // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении : сб. науч. тр. — Краматорск : ДГМА, 2002. - С. 112-120.

2. Володин, А. И. Повышение качества круглых в плане поковок на основе совершенствования технологии штамповки : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.09 / А. И. Володин ; ЛГТУ. — Липецк, 2010. —171 с.

3. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А К. Леванов [и др.]. — М. : Металлургия, 1976. — 456 с.

4. Исаченков, Е. И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением / Е. И. Исаченков. — М. : Машиностроение, 1978. — 206 с.

ШИРОКОВ Александр Евгеньевич, магистрант группы ОДМ-612.

ШТЕЛЕ Виталий Геннадьевич, старший преподаватель секции «Машины и технология обработки металлов давлением» кафедры «Машиностроение и материаловедение».

Адрес для переписки: cojidat07@mail.ru

Статья поступила в редакцию 14.01.2014 г.

© А Е. Широков, В. Г. Штеле

УДК 621:681.31 Л. Н. АХТУЛОВА

А. Л. АХТУЛОВ О. М. КИРАСИРОВ В. А. МАШОНСКИЙ

Омский государственный университет путей сообщения

Тобольский индустриальный институт

Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина

ВИЗУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ДВУХБАЛОЧНОГО

МОСТОВОГО КРАНА

КАК СЛОЖНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ______________________________

В статье рассмотрены основные вопросы динамики двухбалочных мостовых кранов и предложена имитационная модель, созданная в подсистеме Simmechanics программного пакета Matlab.

Ключевые слова: мостовой кран, динамика, Simmechanics, имитационная модель, визуальное моделирование.

В работах [1—5] отмечается, что на этапе проектирования мостового крана важной задачей является моделирование процесса передвижения мостового крана с учетом основных динамических характеристик. Это обусловлено тем, что элементы передвижения, такие как подкрановые балки, рельсы, ходовые колеса и т.д. подвергаются повышенному износу, а металлоконструкция моста крана — дополнительным динамическим нагрузкам. Определение оптимального режима работы электродвигателя позволяет добиться лучших технических показателей и снизить аварийность.

Пространственная обобщенная расчетная схема мостового крана может быть представлена в виде естественных звеньев [6, 7] (рис. 1):

— мост крана т1 включает в себя массу двух главных и концевых балок, кабины оператора, часть электрооборудования и ходовых колес;

— тележка крана с массой т2 включает в себя массу части электрооборудования;

— тросовая подвеска с крюковой обоймой и грузом массой т3

Движущая сила Б1, создаваемая электродвигателем М1, определяет характер поступательного движения системы мостового крана. Необходимо учитывать, что в мостовых кранах с распределенным электродвигателем присутствует элемент запаздывания т, пренебрежение этим параметром, может привести к искажению реальной картины движения крана. На характере движения скажутся вибрации, создаваемые при работе электродвигателя М1. Неровности подкрановых путей Б 7 и сила сопротивления движению также влияют на характер движения. Также необходимо учитывать коэффициент жесткости металлоконструкции См.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ