Скачать 250.74 Kb.
|
На правах рукописи Дебеева Светлана Александровна ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ НА прочность ПРЕССОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ 05.16.06 − «Порошковая металлургия и композиционные материалы» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Новочеркасск − 2009 Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Защита состоится 24 декабря 2009г. на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, Ростовская область, г.Новочеркасск, ул. Просвещения, 132. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Автореферат разослан «___» ноября 2009г. Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Устименко В.И. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Увеличение объема производства порошковых конструкционных материалов для комбинированных изделий типа «компактная деталь − порошковая деталь» требует более полного изучения изменения их свойств и структуры в зависимости от технологических параметров в процессе получения прессовых соединений. В отличие от компактных в процессе получения сопряжения порошковые стали подвергаются не только упругим, но и квазипластическим деформациям. Для обеспечения прочности соединения «компактная деталь − порошковая деталь» необходимо задавать оптимальные значения натягов конкретно для каждого типоразмера изделий, используемых для обеспечения неподвижного соединения наружной поверхности втулки с обоймой (запрессовка) или внутренней (втулка на валу) с достаточной прочностью. Проблема разрушения пористых деталей при формировании прессового соединения, а также недостаточная его прочность, может быть довольно успешно решена при разработке надежных методов прочностных расчетов, позволяющих заранее определить зарождение трещин в теле порошковой детали, описывать процессы их развития, причины, влияющие на их возникновение с учетом технологических и эксплуатационных характеристик. Таким образом, изучение напряженно-деформированного состояния прессовых соединений пористых деталей с компактными, в зависимости от способа сборки и геометрических параметров при формировании натяга, даст возможность получить эффективные пути повышения прочности данного вида соединений. Настоящая работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой кафедры материаловедения и технологии материалов Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) № 1.8.05 «Разработка теоретических основ формирования перспективных функциональных материалов. Фундаментальное исследование» (2005-2009 гг.). Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение качества и надежности прессового соединения деталей из порошковых материалов различных типоразмеров с компактными на основе использования современных методов исследования и моделирования процесса сборки узлов прессовых соединений. Для реализации данной цели поставлены следующие основные задачи:
Научная новизна.
- увеличение количества связанного углерода приводит, благодаря увеличению прочности материала на основе железного порошка, к возрастанию прочности соединения в целом. Наличие несвязанного углерода приводит к уменьшению контактного трения и, следовательно, прочности соединения; - увеличение относительной величины натяга N/S приводит к сужению зоны пластических деформаций втулки, локализующейся вблизи поверхности вала, росту ее плотности, увеличению контактных напряжений и прочности соединения; - увеличение пористости приводит к возрастанию растягивающих напряжений, ослаблению металлического каркаса, что вызывает разуплотнение поверхностных слоев и дальнейший разрыв втулки.
Практическая ценность. На основе полученных результатов исследования напряженно-деформированного состояния пористого материала предложена номограмма определения качества соединения компактных деталей с пористыми в зависимости от толщины стенки пористой детали. Разработаны рекомендации по назначению натягов при сборке ступиц колес и роторов датчиков АВС автомобиля «КамАЗ» пяти наименований. Личный вклад автора. Все основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены лично соискателем. Достоверность результатов подтверждается использованием современных аттестованных методик исследования и оборудования, а также большого количества экспериментальных образцов, применением статистических методов обработки данных и результатами промышленного внедрения. Апробация работы. Работа выполнялась в Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) на кафедрах « Основы конструирования машин» и «Материаловедение и технология материалов». Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 7-й международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия» (Минск, Беларусь, 2006 г.); на международной научно-технической конференции «Эффективные технологические процессы в металлургии, машиностроении и станкоинструментальной промышленности» (Ростов-на-Дону, 2007 г.); на ежегодных научно-технических конференциях ЮРГТУ(НПИ) (2004-2009 гг.). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ (1 статья в ведущем рецензируемом научном журнале, включенном в перечень ВАК РФ, одна статья без соавторов). Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, изложена на 157 страницах, включая 58 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 131 наименования и приложения на 6 страницах. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснован выбор темы диссертации, отражены ее актуальность, основные направления и практическое значение, определены цель и задачи исследований. В первой главе на основе обзора литературных источников рассмотрены различные виды получения прессовых соединений пористых материалов с учетом трения, износостойкости, а также влияния нагрева при сборке в сравнении с компактными. Для достижения требуемой прочности и эксплуатационной надежности прессового соединения необходимо обеспечить, прежде всего, достаточный уровень радиальных упругих деформаций. Неравномерность степени деформации компактного материала зависит от величины контактного трения, формы и соотношений размеров объекта деформации, формы и размера инструмента в зоне деформации. Ранее А.Я. Артамоновым, Д.А.Богословской, Б.А. Наумчевым было показано, что при использовании в сборке порошковых материалов необходимо учитывать наличие пористости, которая при прочих равных условиях оказывает первостепенное влияние на величину допусков при назначении посадки с натягом сопрягаемых порошковых и компактных деталей. Деформация пористых тел имеет существенные отличия в сравнении с компактными. Это обусловлено, прежде всего, наличием исходной и изменяющейся в процессе деформации пористости заготовки (Ю.Г. Дорофеев, А.Я. Красовский, В.Д. Кальнер, Е.В. Перельман, Г.Г. Сердюк, М.Б. Штерн и др.). Уплотнение происходит не только за счет деформации самих частиц, но и за счет их перемещения в поры, что приводит к изменению объема деформируемого тела. Прочность прессовых сопряжений зависит от величины натяга, состояния материала сопрягаемых деталей, метода осуществления прессовых посадок, геометрических параметров (толщины стенки и длины охватывающей детали), величины шероховатости сопрягаемых материалов, погрешности форм деталей. Появление напряжений упругого сжатия на поверхности детали (втулки), противолежащей к их контактной поверхности, приводит к повышению нагрузочной способности пористого порошкового материала, поскольку, он весьма чувствителен к схеме и характеру действующих нагрузок. Анализ литературных данных показал, что перспективы использования деталей различных типоразмеров, получаемых методами порошковой металлургии в процессе образования прессовых соединений с компактными, требуют более полного изучения изменения их свойств и структуры. Также, в литературе отсутствуют данные о величине объемных изменений пористых деталей и рекомендации по выбору допусков для порошковых деталей с учетом масштабного фактора, обеспечивающие необходимую прочность соединения с компактными. Вторая глава представляет характеристики используемых материалов, описание технологического и исследовательского оборудования, методики проведения экспериментов. В *-метод разработан кафедрой пластического деформирования специальных сталей (МИСиС) *-Метод разработан кафедрой пластического деформирования сталей и сплавов МИСиС качестве основных материалов для исследуемых образцов использовали железный порошок марки ПЖВ 3.160.26 (ГОСТ 9849-86), графит карандашный ГК-3 (ГОСТ 17022-81), стеарат цинка марки С (ТУ 6-09-17-316-96). Технология изготовления образцов втулок с наружным диаметром 48 мм, высотой 15 мм и внутренними диаметрами 24; 28; 32; 36; 40; 44 мм включала двустороннее статическое холодное прессование (СХП) в стальных пресс-формах на гидравлическом прессе ПГ-125 и спекание в печи в среде диссоциированного аммиака при температуре 1150 0С, время спекания 2,0 ч. Компактные валы и обоймы изготавливались из стали 20 Х (ГОСТ 4543-71 ) (закалка + средний отпуск, HRC 40…45). Угол заходного конуса вала составлял 80. Эксперименты включали напрессовку и запрессовку спеченных образцов на компактные валы и в обоймы с различной пористостью и величиной натяга N0 = 0,2…0,8 мм с последующей распрессовкой. Для исследования остаточных напряжений (ОН) применялся механический метод исследования ОН в напряженных кольцевых объектах, предложенный Н.Н. Давиденковым. Модуль упругости кольцевых порошковых объектов исследовали путем возбуждения изгибных колебаний и определения резонансной частоты. Оценка напряжений проводилась на портативном рентгеновском дифрактометре серии ДРП «РИКОР»*. Для расчета периода решетки, проводилась съемка образцов на дифрактометре ДРОН-3 в Со-Кα излучении. Снятие слоев материала осуществлялось с помощью электролитического травления. Содержание углерода в исследуемых образцах определяли с помощью газоанализатора ГОУ-1. Металлографические исследования проводили на микроскопе «Neophot-21». Микротвердость материала измеряли на микротвердомере ПМТ-3. В третьей главе представлены результаты исследований оценки качества соединения порошковой втулки различной толщины с компактными деталями. Известно, что прочность соединения с натягом обеспечивается упругими напряжениями, возникающими при прессовых посадках. Изменение пористости по сечению детали и механических свойств металлической матрицы материала приводит к изменению ее упругих характеристик. Качество прессового сопряжения при этом оценивается коэффициентом прочности соединения К нп(зп)= Ррп/Рнп(Рзп). Усилия напрессовки (запрессовки) Рнп(Рзп) и распрессовки Ррп возрастают по мере увеличения содержания углерода, увеличения толщины и натяга, уменьшения пористости. Максимальное усилие Рнп = 64 кН наблюдается у втулок, напрессованных на компактный вал с натягом 0,8 мм, толщиной стенки S = 12 мм и содержанием углерода 0,6 %. При всех натягах и толщинах стенки втулки с увеличением пористости от 10 % до 25 %, усилия напрессовки Рнп и коэффициент прочности соединения Кнп уменьшаются, за исключением втулок с толщиной стенки S = 2 мм которые при П = 25 % и N0 > 0,4 мм разрушаются. Увеличение натяга приводит к росту тангенциальных составляющих усилия напрессовки. Величины напряжений, возникающих под их действием, определяются с ростом пористости увеличивающейся степенью деформации. Она приводит к упрочнению материала, причем чем выше содержание углерода С, тем упрочнение больше. При достижении критических значений напряжений (σ > σ*) втулки малой толщины разрушаются. Зависимости Кнп = f (N ; S ; C), имеют сложный характер с наличием экстремальных значений Кнп(рис.1). Рисунок 1 Зависимости коэффициента прессового соединения Кнп от натяга, толщины стенки и содержания углерода при напрессовке, П=10 % Минимальное значение Кнп наблюдается при N = 0,2 мм, S = 2-4 мм, C = 0%, независимо от пористости втулок, и максимальное в интервале N = 0,6-0,8 мм; S = 8-12 мм, C = 0,6 %. По результатам трехфакторных экспериментов, оценивающих влияние натяга, толщины стенки, содержания углерода и пористости на прочность соединения, влияние пористости признано статистически не значимым. Коэффициент прессового соединения в зависимости от толщины стенки S и натяга N описывается математической моделью . (1) Коэффициент прессового соединения в зависимости от содержания углерода C и натяга N описывается математической моделью . (2) Из уравнений регрессии видно, что основное влияние на качество прессового соединения оказывает натяг. Это объясняется тем, что величина натяга в большей степени определяет объем уплотненного слоя, прилегающего к приконтактной зоне, что приводит к росту упругих деформаций, обеспечивающих прочность соединения. Характер изменения размеров при запрессовке пористых втулок в стальные обоймы отличается. В отличие от напрессовки, внутренняя поверхность втулки в данном случае является неконтактной. При запрессовке порошковой пористой втулки в стальную обойму наблюдается уменьшение внутреннего диаметра, которое составляет 25-54 % и 4-10 % с толщинами стенки до и свыше 6мм, соответственно. Из этого следует, что усилия запрессовки расходуются, главным образом, на общую деформацию объема всей втулки, что приводит к недостаточному уплотнению поверхностного слоя образца и ослаблению прочности сопряжения его с обоймой. В большей мере это касается тонкостенных образцов. Прочность соединения при малых натягах (0,2-0,4 мм) для толстостенных порошковых втулок с пористостью 10-15 % выше (Кзп = 0,70), чем у более пористых образцов (Кзп = 0,60). Оценка изменения размеров втулок и расчет пластических и упругих деформаций показали, что и при напрессовке и при запрессовке с увеличением натяга деформации, как по наружному, так и по внутреннему диаметру возрастают. Отмеченные закономерности связаны, естественно, с наличием пористости в порошковом материале. При напрессовке с уменьшением толщины стенки втулки пластические деформации по наружному − Dпл и по внутреннему − dпл диаметрам увеличиваются при одинаковом значении пористости и при всех значениях натяга. Использование втулок большого диаметра при малых толщинах стенок характеризуется неоднородной деформацией между центральными и периферийными объемами пористого материала. В центре кольцевого сечения пластическая деформация меньше, а на участках, близким к кромкам больше. У толстостенных образцов (S = 8-12 мм) пластические деформации по наружному диаметру очень малы по сравнению с деформациями, полученными на внутренних поверхностях втулки. Перемещаясь от внутреннего диаметра к наружному, пластические деформации постепенно рассеиваются и толщины образца достаточно для того, чтобы погасить процесс деформирования, не затрагивая внешних объемов образца, свободных от напрессовки. По результатам экспериментов построены математические модели, описывающие влияние факторов варьирования на пластические и упругие деформации. При запрессовке характер распределения пластических деформаций в зависимости от натяга аналогичен напрессовке и имеет практически прямолинейную зависимость, увеличение деформации прямо пропорционально натягу. Величины упругих а, следовательно, и пластических деформаций при одинаковом химическом составе и постоянной пористости определяется объемом уплотненного материала, участвующего в общей деформации, который зависит от размеров сопрягаемых порошковых изделий, т.е. от масштабного фактора. В качестве масштабного фактора использовали величину относительного натяга N/S, где N натяг, мм; S толщина стенки втулки, мм. Результаты экспериментов показали, что увеличение N/S (рис.2) приводит к уменьшению доли упругой деформации εупр/εобщ в общей деформации, причем наиболее интенсивное изменение происходит при пористости 10 % (рис.3). а) б) Рисунок 2− Зависимость εупр/εобщ от N/S и содержания углерода С: а – напрессовка, б – запрессовка, П=10% При более высокой пористости изменяется еще и характер деформации. Пластическое деформирование и уплотнение пористого материала в объеме, ограниченном величиной натяга, осуществляется путем перемещения его в поры. Увеличение натяга способствует смещению слоя уплотненного материала до минимальной пористости (П=3-5% ) на большую глубину, последовательно вызывая при этом пластическую деформацию прилегающих объемов. Пластическая деформация распространяется до тех пор, пока ее действие не гасится порами. При разной толщине втулки глубина распространения отличается. Как и следовало ожидать, с увеличением относительного натяга величина εупр/εобщ уменьшается более интенсивно при увеличении содержания углерода от 0,1 до 0,6 % за счет увеличения в структуре стали перлита в ферритно-перлитной матрице. Величина уплотненного слоя δ при натяге 0,2 мм меньше, чем при натяге 0,8 мм. Так, для втулки с толщиной стенки S = 6мм, после напрессовки на компактный вал с натягом 0,2 мм N/S составляет 2,2%, а для этого же вида втулки, напрессовываемой с натягом 0,8 мм N/S = 7%. С ростом толщины стенки δ уменьшается и для втулки S = 12 мм составляет 1,5% и 3,0%, соответственно. При напрессовке с уменьшением толщины стенки наблюдается увеличение толщины уплотненного слоя, что приводит к разрыву и появлению макротрещин на образцах, особенно при возрастании натяга и пористости. По-видимому, напряжения во втулке достигают критических значений, при этом сжимающие изменяют свой знак и переходят в растягивающие, что в дальнейшем, при достижении критических значений способствует разуплотнению и развитию внутренних трещин. |
«чёрная металлургия» учитель гущина светлана николаевна тула Черная металлургия охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива и вспомогательных материалов до выпуска готовой... | Методические указания по выполнению рефератов по дисциплине "Конструкционные... Методические указания предназначены в помощь студентам при выполнении рефератов по дисциплине " Конструкционные и функциональные... | ||
Темы рефератов. Бактериальная коррозия. Виды бактерий, развивающихся... Формирование структуры и свойств сварных соединений. Зоны сварных соединений. Технологические методы обеспечения свойств сварных... | Композиционные материалы Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы... | ||
Композиционные материалы Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы... | «композиционные материалы, на основе эпоксидных смол, упрочненные... | ||
§2 Что такое композиционные материалы КМ, композиты) многокомпонентные материалы (рис. 5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими... | Примерная программа дисциплины технология конструкционных материалов... Учебная дисциплина «Технология конструкционных материалов» посвящена изучению методов получения материалов и формирования из них... | ||
Влияние личностных характеристик на выбор профессии Теоретические аспекты изучения влияния личностных характеристик на выбор профессии. 5 | Влияние личностных характеристик на выбор профессии Теоретические аспекты изучения влияния личностных характеристик на выбор профессии. 5 | ||
Пояснительная записка к курсовой работе тема: Разработка технологического... Вторичное использование деталей с допустимым износом и восстановление изношенных деталей, узлов и механизмов, способствует успешному... | Прочность и разрушение материалов и элементов конструкций Внешние силы и их классификация: поверхностные, объемные и сосредоточенные, активные и реактивные, постоянные и временные, статические... | ||
Рабоч ая учебная программа дисциплины Материалы электронной техники Это одна из основных дисциплин профиля, ибо без знания физико-химических характеристик материалов и протекающих в них физических... | Программа дисциплины дпп. Ф. 02. 1 Детали машин Целью преподавания курса является получение студентами знаний по устройству деталей машин и сборочных единиц (узлов) машин и механизмов,... | ||
Способы разметки симметричных деталей. Ребристые ёлочные игрушки (груша) Цели: Познакомить учащихся со способами разметки симметричных деталей, научить склеивать объёмные изделия за половинки деталей | Рабочая программа учебной дисциплины «компьютерные технологии в машиностроении» Цель изучения дисциплины – повышение основ знаний, умений и навыков по проектированию и современным методам расчета деталей, сборок... |