Введение к работе
Настоящая работа посвящена развитию моделей деформирования сжимаемых пористых сред, их исследованию и применению к анализу технологических процессов обработки давлением спеченных порошковых заготовок при получении изделий сложной формы, постановке и исследованию краевых задач по пластическому деформированию различных порошковых композиций и разработке методов их решения.
Актуальность темы диссертации. Развитие и совершенствование технологии получения изделий методами порошковой металлургии в настоящее время невозможны без глубокого понимания сущности явлений, происходящих при деформировании порошково'-пористых материалов, и их количественного описания. В связи с этим разработка фундаментальных вопросов механики поведения порошковых пористых композиций при их обработке давлением является важным направлением в области создания материалов с требуемым комплексом функциональных свойств и разработки эффективных технологий получения изделий сложной формы с применением методов пластического деформирования.
Теоретическое обоснование и поиск новых вариантов изготовления деталей обусловлены недостатками традиционных методов порошковой металлургии, главными из которых являются повышенная пористость, невысокие размерная точность и качество поверхности изделий, а также недостаточный уровень механических свойств. Методы пластического деформирования спеченных заготовок обеспечивают получение практически беспористых изделий сложной формь! с высокими физико-механическими свойствами, высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности.
Известно, что в настоящее время не существует единой обобщенной теории деформирования порошковых материалов, позволяющей с исчерпывающей полнотой описать многообразие явлений, характеризущих процессы уплотнения и формоизменения порошково-пористого тела в условиях внешнего нагружения. Ввилу сложности реальных процессов решение указанных задач в основном базируется на использовании некоторых упрощенных моделей обрабатываемой среды. Известно большое количество моделей, с определенной степенью приближения описывающих закономерности поведения сжимаемых пористых тел при обработке давлением, причем вопрос об адекватности той или иной модели может быть решен только на основе экспериментального исследования.
2 Следует отметить, что в механике пористых сред хорошо развиты преимущественно одноэлементные модели. Это модели пласгически деформируемых ежи маемых идеальных или упрочняющихся сред, позволяющие описывать деформирование спеченных заготовок при нормальных температурах, а также модели вязкого течения, где за основу взят физический механизм высокотемпературной ползучести, используемые для описания процессов горячего прессования. Однако решение задач теории деформирования порошковых материалов позволило установить, что применение простых моделей не позволяет с достаточной достоверностью описать все стороны изучаемого процесса. В ряде случаев требуется учет совместного действия эффектов упругости, пластичности и вязкости, т.е. оказывается необходимым переход к использованию более сложных реологических моделей.
Формирование общей точки зрения на механическое поведение пористых спеченных заготовок, деформируемых в условиях, когда необходим переход к сложным реологическим законам течения пористого тела, а также разработка методов его количественного анализа являются актуальной задачей современного материаловедения.
* Связь работы с крупными научными программами, темами. Выполнение настоящей работы осуществлялось в соответствии со следующими крупными научными программами, темами - задание 04.05.02 научно-технической программы 0.08.17 "Порошковая металлургия" на 1981-1985гг.; задание 02.О5Т и 03.13М научно-технической программы 0.08.17 "Порошковая металлургия" на 1986 - 1990гг.; задание 2.1Н Единого плана фундаментальных исследований МНТК "Порошковая металлургия" на .1989 -1991гг.; задание 02.05 научно-технической программы "Машиностроение" на 1993 - 1995гг.; задание 04.05 научно-технической программы "Стоматология и челюстно- лицевая хирургия" на 1994 - 1995гг.; проект Т5-021 Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь на 1994 - 1996гг.; задание 473 Программы фундаментальных исследований "Механика динамических систем и процеесь. управления" Плана важнейших НИР в области естественных, технически;, и общественных наук по РБ на 1996 -2000 г.г., утвержденного Постановлением Президиума АНБ от 23.11.95.
Цель и задачи исследования. Целью работы являеіся исследование на
ОСНОве обобщенной рцоЛОГНЧССКОЙ МОДСЛН ИОрИСШ\ l.;KIIM.I,-MU,< ср'\'І основных
закономерностей деформирования при получении порошковых изделии сложной формы общемашиностроительного назначения; создание методов количественного анализа процессов деформирования; решение прикладных задач обработки давлением порошковых материалов при расчете и разработке тех нэлогичегких процессов.
Для реализации цели поставлены следующие задачи:
проанализировать существующие представления о механике поведения пористых сжимаемых сред при их пластическом формоизменении в широком диапазоне изменения условии обработки и сформулировать основные принципы конструирования моделей упруго-вя'ко-шгастического течения изотропных порошковых сжимаемых материалов;
разработать обобщенную феноменологическую модель деформирования спеченных пористых заготовок в процессах обработки давлением с учетом эффектов упругости, пластичности и вязкости, а также обьемпой сжимаемости;
н^ базе методов конечных элементов и конечных разностей, разработать систему физического и геометрического моделировь..ия процессов получения порошковых изделий с применением методов пластического деформирования спеченных пористых заготовок;
изучить особенности формирования очага деформаций, распределения напряженно-деформированного состояния и плотности при упруго-пластическом деформировании порошковых заготовок;
исследовать особенности упруго-вязко-пластического деформирования пористых заготовок при калибровочно-уплотняющей обработке порошковых изделий и изучить роль внешнего трения на формирование напряженно- деформированного состояния и плотности;
разработать модели нелинейновяэкого деформирования порошковых заготовок применительно к процессам горячей обработки давлением, изучить кинетику уплотнения и формоизменение пористых тел при вязком деформировании в различных условиях;
применить основные результаты исследовании для создания эффективных процессов порошковых изделий путем пласіического деформирования спеченных заготовок.
Научная норизна полученных результате. Сформу'пірсіі:п!.м обшме принципы конструиропания моделей упруго пя)ко-п.|;>< пгісекого течения ІІІО
4 тронных порошково-порнстых сжимаемых материалов; предложена обобщенная феноменологическая модель деформирования спеченных пористых заготовок в процессах обработки давлением; намечены пути обобщения предложенной модели на случай больших нелинейных деформаций, характерных для процессов формования изделий из металлических порошков. На базе метода конечных элементов разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния и плотности порошковых заготовок при обработке давлением и создано программное обеспечение.
Установлены общие принципы формирования очага деформаций и напряженно-деформированного состояния при упруго-пластическом деформировании спеченных порошковых заготовок, а также закономерности упруго-вязко-пластического деформирования применительно к калибровочно-уплотняющей обработке порошковых изделий; решена задача о нахождении оптимальной формы исходной поковки при получении изделий сложной формы с глубоким формоизменением без трещинообразования.
Для анализа работоспособности быстровращающихся изделий, изготовленных из металлических порошков, проведено обобщение упруго-пластической модели для учета неизотермических условий эксплуатации и влияния центростремительных ускорений.
Предложены модели нелинейновязкого деформирования порошковых заготовок применительно к процессам горячего статического прессования, штамповки, изо- и квазиизостатического прессования; изучены кинетика уплотнения и формоизменение пористых тел в различных условиях деформирования; показане влияние внешнего трения на напряженно-деформированное состояние и распределение плотности внутри объема изделия.
Новизна технических решений подтверждена 11 авторскими свидетельствами.
Практическая значимость полученных результатов. Разработанная математическая модель упруго-вязко-пластического тела описывает деформирование пористых сжимаемых сред и позволяет, в силу общности подхода, решать широкий круг задач по анализу напряженно-деформированного состояния процессов прессонання, экструзии, прокатки, волочения и т. п. Высокая информативное!!, результатов решения ( 12 выходных характеристик) позволяет оптимизировать процесс по шооому из желаемых параметров" - распределению шіоіпости,
5 распределению напряжений или деформаций, общему усилию или перемещению, контактному давлению на инструмент, упрочнению и др.
Разработанная система физического и геометрического моделирования является основой для расчета и оценки энергосиловых параметров деформирования, формирования очага деформаций, распределения плотности внутри обрабатываемого изделия и может использоваться для выбора оборудования и конструирования оснастки.
Разработанная автоматизированная конструкторско-технологическая система проектирования процессов обработки давлением и технологический классификатор спеченных для последующего деформирования заготовок предназначены для использования при выборе исходной поковки, проектировании технологической документации операции штамповки и разработке чертежей рабочей оснастки. Результаты этой работы используются в практике Белорусского государственного НПК порошковой металлургии.
Проведено решение ряда практически важных проблем оптимизации различных параметров деформирования Порошковых материалов. Решена задача упруго-пластического выдавливания порошковой медной заготовки коллектора электрических машин, оптимизированы основные параметры процесса. Создано и внедрено в практику Белорусского государственного НПК порошковой металлургии программное обеспечение для анализа работоспособности и оптимизации конструктивных параметров порошкового коллектора электродвигателей. С использованием разработанной модели разработан метод расчета на прочность порошково-пористых титановых имплантатов стоматологического назначения. По разработанным рекомендациям в НИИ порошковой металлургии в настоящее время организовано изготовление пористых титановых имплантатов с основанием формы, приближающейся к природному корню зуба, для нужд Минского государственного медицинского института. Решение задачи о нахождении оптимальной формы исходной заготовки под последующее деформирование без трещинообразопаиия позволило разработать методику проектирования конструкции оснастки для технологических процессов штамповки спеченных заготовок коллекторов электрических машин, деталей шестеренных гидронасосов (компенсатор, подшипник) и калиброванных заготовок электродов для электроэрозионной обработки пресс-форм и штампов. Тех-
нологические процессы получения изделий этого назначения внедрены в практику Молодечненского завода порошковой металлургии.
Предложено теоретическое обоснование и экспериментально показана эффективность применения метода квазишостатического горячего прессования для получения ысокоплошых изделий из порошковых материалов конструкционного и инструментального назначения. На основании исследований предложен ряд вариантов горячего прессования порошковых материалов в условиях высоких температур и передачи давлення через различные оболочки.
Экономическая значимость полученных результатов. Пакет прикладных программ для расчета и оптимизации конструктивных параметров коллектора электродвигателей, система физического и геометрического моделирования процесса обработки давлением порошковых заготовок и конструкторско-технологическая САПР обработки давлением представляют собой завершенные разработки с возможностью коммерческой реализации на рынках Республики Беларусь и за рубежом. Внедрение технологических процессов получения порошковых изделий общемашиностроительного назначения (коллекторов электрических машин, деталей шестеренных и топливных насосов, электродоа-ииструментов для обработки пресс-форм и штампов), получаемых с применением методов пластического деформирования спеченных пористых заготовок, позволило освоить их ежегодное производство на Молодечиенском заводе порошковой металлургии и Опытном производстве НИИ порошковой металлургии в объеме порядка 6 млн. штук деталей (около 1500 тонн), что обеспечивает значительный экономический эффект для народного хозяйства Республики Беларусь. Основные выводы и рекомендации результатов работы используются при разработке и совершенствовании технологических процессов получения изделий методами порошковой металлургии в практике Белорусского государственного научно-производітьенного концерна порошковой металлургии.
Основные положеш.я диссертации, выносимые на залиту.
-
Обобщенная феноменологическая модель деформирования порошковых материалов, учитывающая эффекты упругости, пластичности и вязкости, а также объемную сжимаемость.
-
Программно-алгоритмические средства математического моделирования напряженно-деформированного состояния и плотности порошковых материалов при их обработке давлением.
-
Теоретическая модель и программные средства для р&чета температурных и силовых полей в порошковых изделиях с учетом неизотермических условий эксплуатации и влияния центростремительных ускорений.
-
Методика нахождения оптимальной формы исходной заготовки при необратимом деформировании порошковых материалов без разрушения.
-
Феноменологические модели нелинейновязкого деформирования порошковых материалов при неравномерном трехосном сжатии и в квазиизоста-тических условиях.
-
Теоретическое обоснование возможности и практическая реализация способов совершенствования технологических процессов получения порошковых изделий с применением методов пластического деформирования.
Личный вклад соискателя. Основные положения, выводы и рекомендации диссертации принадлежат автору и являются итогом его многолетней деятельности в области разработки научных основ процессов деформирования порошковых сжимаемых материалов. ' Автор самостоятельно выбрал научное направление - теорию деформирования порошково-пористых сжимаемых материалов; определил задачи ' исследования; разработал ряд математических моделей деформирования с учетом эффектов упругости, пластичности, вязкости и обьемной сжимаемости пористого тела; спланировал и выполнил большое количество модельных, в том числе численных, экспериментов по изучению закономерностей деформирования порошковых материалов; предложил методики и провел расчеты рядя различных схем деформирования применительно к конкретным технологическим процессам. Полученные автором результаты вносят значительный вклад в теорию и практику деформирования порошково-пористых сжимаемых материалов.
' Исследования в направлении создания методов математического расчета процессов обработки давлением спеченных пористых заготовок и разработки интегрированной системы моделирования, упруго-вязко-пластйческого деформирования проведены совместно с О.В.Михайловым и Е.В.Щтефаном.
Работа по созданию системы автоматизированного проектирования технологических процессов и оснастки для изготовления изделий из металлических порошков проведены совместно с Я.М. Боголюбовым и Л.В. Блиновой.
Апробация результатов диссертации. Основные рс-'льтаты и положения диссертации докладывались на следующих симпозиумах, конференциях и семи-
8 парах - 5 Международная конференция по порошковой металлургии, Готвальдов (ЧСФР), 1978г; 7 Международная конференция по порошковой металлургии, Дрезден (ГДР), 1981 г; Международная конференция по спеканию, Любляна (Югославии), 1981г; Международная конференция но порошковой металлургии, Дюссельдорф (ФРГ). 198бг; Международная конференция по реофизи-ке и теплофизике неравновесных систем, Минск, 1991 г; 9 зимняя школа по механике сплошных-сред, Пермь, 1991г; 5 Всесоюзный семинар "Влияние высоких давлений па вещество", Одесса, 1980г; Всесоюзная научно-техническая конференция по горячему прессованию, Новочеркасск, 1982г, 1985г; 7 Международный симпозиум по композиционным материалам, Высокие Татры (ЧСФР), 1990г: Всесоюзная конференция по порошковой металлургии, Киев, 1991г; Семинар Европейской экономической комиссии ООН "Новье материалы и их применение в машиностроении", Киев, 1992г; Всессюзный семинар "Реологические модели и процессы деформирования порошковых пористых и композиционных материалов", 1984г, 1989г; Республиканская конференция по новым материалам н технологиям, Минск,. 1994г; научно-техничыжие конференции профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института, Минск,--1978* 1993гг.;' Учредительный конгресс по теоретической и прикладной механике, Минск, 1995г.; 3-я Международная конференция по термообработке, Бомбей, Индия, 1995г, 1-я Международная и 4-я Национальная конференция по порошковой металлургии в Румынии, Клю-Напока, Румыния,. 1996г., Международная научно-практическая конференция "Актуальные вопросы сгомат о логической имплантации", Минск, 1996. ; Международная научная конференция "Деформация и разрушение в конструкционных порошковых материалах", Высокие Татры, Словакия, 1996г., 7 - ой Международной выставке и симпозиуме ''Новые материалы и технологии порошковой металлургии", Минск, Беларусь, 1997г.
Опублнкомниосп» результатов. Основные результаты исследований и разработок по теме диссертации опубликованы в одной монографии. 46 печатных работах, в том числе защищены 11 авторскими свидетельствами.
Структура я объем диссертации. Диссертационная рабо і а изложена на 190 страницах машинописного текста, состоит из перечня условных обозначений, введения, общей характеристики работы, шести глав, выводов, приложения. Работа содержит 60 рисунков, библиографию 324 наименования.