Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014, № 11. Часть 1
научный журнал
Покупка
Тематика:
Машиностроение. Приборостроение
Издательство:
Тульский государственный университет
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 500
Дополнительно
Тематика:
ББК:
- 312: Электроэнергетика. Электротехника
- 3297: Вычислительная техника
- 34: Технология металлов. Машиностроение. Приборостроение
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 621: Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
- 681: Точная механика. Автоматика. Приборостроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» ISSN 2071-6168 ИЗВЕСТИЯ ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ Выпуск 11 Часть 1 Тула Издательство ТулГУ 2014
ISSN 2071-6168 УДК 621.86/87 Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11: в 2 ч. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 501 с. Рассматриваются научно-технические проблемы в области теорий и технологий в металлургии и металобработке, технологий и оборудования обработки металлов резанием, авиационных технологий, автоматизации и управления, строительства и архитектуры, управления качеством, стандартизации и сертификации, транспорта, управления, вычислительной техники и информационных технологий, машиностроения и машиноведения, приборостроения. Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике информационных технологий и управления. Редакционный совет М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, А.А. СЫЧУГОВ, Р.А. КОВАЛЁВ, А.Н. ЧУКОВ Редакционная коллегия О.И. Борискин (отв. редактор), А.А. Сычугов (зам. отв. редактора), Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора), С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь), И.Е. Агуреев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, А.Э. Соловьев Подписной индекс 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России» «Известия ТулГУ» входят в Перечень ведущих научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора наук © Авторы научных статей, 2014 © Издательство ТулГУ, 2014
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1 4 ческими показателями процесса формоизменения проволоки и рядом других параметров. На основе указанной модели были определены основные параметры процесса измельчения, сопровождающего волочение при температуре 1100 °C оболочки проволоки из высоколегированной стали 20Х23Н18, с сердечником из высокодисперсной многокомпонентной порошковой смеси, включающей хром, тантал, молибден, кремний, карбид вольфрама. Исследовался процесс измельчения части порошковой смеси массой sum M _ 0 , локализованной внутри объема м V , подвергающегося деформи рованию вместе с металлом проволоки объема деф V . Компоненты смеси различались по размерам частиц, массовой доле физико-механическим свойствам. При этом предполагалось, что каждый компонент смеси имеет преобладающую по количеству частиц размерную фракцию, называемую основной фракцией, и размер частиц в ней средний. Также предполагалось, что суммарная энергия технологического процесса расходуется на совершение работы по пластическому деформированию оболочки проволоки и измельчению порошка, причем данные процессы происходят синхронно, и энергия измельчения, в сущности, представляет собой избыточную энергию, переданную системе сверх энергии деформирования (рис. 1). Рис. 1. Схема волочения порошковой проволоки: 1 – оболочка проволоки; 2 – порошковый сердечник; 3 – деформирующий инструмент Ниже приведены адаптированные элементы вышеуказанной модели, необходимые для численного решения поставленной в работе задачи. Средний размер частиц порошка i -го компонента смеси после измельчения (основной фракции)
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1 6 смеси i sum изм i изм К W W σ ⋅ = _ _ . Доля энергии измельчения, расходуемая на обработку i -го компонента смеси из n компонентов ∑ = σ σ σ = n j вj вi i К 1 , где вi σ – предел прочности i -го компонента смеси при заданной температуре обработки, Н/м2. Суммарная энергия измельчения порошковой смеси ( ) , 4 2 ln sin 2 1 1 2 0 2 2 0 _ _ тр деф k п k прев в дп sum изм L d d l d d K W δ ⋅ ⋅ ⋅ π × × ⋅ + ⋅ α ⋅ + ⋅ σ ⋅ = где пl – длина калибрующего участка инструмента, м; относительное удлинение материала оболочки проволоки тр δ , %; дп К – коэффициент, учи тывающий влияние параллельных дополнительных процессов при продвижении порошковой массы в ходе деформирования оболочки проволоки; прев в _ σ – приведенный предел прочности порошковой смеси, Н/м2; 0 d , k d , деф L – соответственно внутренние диаметры оболочки проволоки до и после деформирования, длина деформируемого в данный момент участка проволоки, м (см. рис. 1); α – угол наклона образующей калибрующего участка деформирующего инструмента, град. (см. рис. 1). Приведенный предел прочности порошковой смеси ∑ = ⋅ σ = σ n i mi вi прев в n К 1 _ , где mi К – массовая доля i -го компонента смеси; n – количество компонентов смеси; Массовая доля i -го компонента смеси sum i mi M M К = , (1) где i M – масса порошка одного компонента во всей проволоке, кг; sum M – общая масса порошковой смеси во всей проволоке, кг. Общая масса порошковой смеси в деформируемой зоне sum пор sum м sum V M V M _ _ 0 ⋅ = ,
Теории и технологии в металлургии и металлообработке 7 где sum пор V _ – общий объем порошковой смеси во всей проволоке, м3. Масса порошка одного компонента в деформируемой зоне определяется по выражению sum mi i M К M _ 0 _ 0 ⋅ = , где sum M _ 0 – общая масса порошковой смеси в деформируемой зоне, кг. Степень размерного измельчения i -го компонента смеси i ч i k ч i ч i изм L L L St _ 0. _ . _ 0. _ − = . Величины 0 d , k d , деф L , а также общий объем пространства для порошковой смеси в деформируемой зоне до деформации м V определяются геометрически по схеме на рис. 1. Площади плоскостей скольжения пс f в кристаллах были определены ранее с учетом температурного изменения основных линейных расстояний в кристаллических решетках измельчаемых материалов. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1. Таблица 1 Исходные данные, используемые для расчета параметров процесса измельчения № п/п Обозначение в тексте раздела Компоненты порошкового сердечника проволоки Хром Тантал Молибден Кремний Карбид вольфрама 1 2 3 4 5 6 7 1 i пс f _ , м2 0,1·10-18 0,3·10-18 0,1·10-18 2 пр К 105 3 i C 18 4 iε 5,0·10-4 7,7·10-4 6,3·10-4 3,1·10-5 4,7·10-4 5 i G , Па 8·1010 7·1010 10·1010 8·1010 26·1010 6 ib , м 0,2·10-9 0,3·10-9 0,2·10-9 0,4·10-9 0,2·10-9 7 i ч L _ 0. , м 150·10-6 5·10-6 70·10-6 160·10-6 7·10-6 8 π, рад 3,14 9 i ν 0,34 0,24 0,37 0,27 0,31 10 i Е , Па 22·1010 16·1010 28·1010 16·1010 72·1010 11 i в _ σ , Па 107·106 122·106 172·106 5,2·106 113·106 12 i ρ , кг/м3 7194 16600 10220 2330 15700
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1 8 Окончание табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 13 i атм w _ , Дж·моль-1 395·103 782·103 654·103 763·103 1576·103 14 A N , моль-1 6·1023 15 i гр n _ 4 6 16 дп К 0,3 17 sum M , кг 0,65 (для порошковой смеси в целом) 18 sum пор V _ , м3 2·10-4 (для порошковой смеси в целом) 19 i M , кг 0,17 0,015 0,089 0,012 0,364 20 0 D , м 4·10-2 (для оболочки проволоки) 21 0 d , м 3·10-2 (для оболочки проволоки) 22 k D , м 0,2·10-2 (для оболочки проволоки) 23 0 S , м 0,8·10-2 (для оболочки проволоки) 24 k S , м 0,03·10-2 (для оболочки проволоки) 25 k d , м 0,1·10-2 (для оболочки проволоки) 26 α , ° 23 (для оболочки проволоки) 27 тр δ , % 0,51 (для оболочки проволоки) Результаты расчета основных параметров процесса измельчения порошковой смеси представлены в табл. 2. Таблица 2 Результаты расчета параметров процесса измельчения порошка смеси № п/п Обозначение в тексте статьи Компоненты порошкового сердечника проволоки Хром Тантал Молибден Кремний Карбид вольфрама 1 2 3 4 5 6 7 1 i k ч L _ . , м 6656·10-9 192·10-9 2557·10-9 25669·10-9 4812·10-9 2 прев в _ σ , Па 23,6·106 (для порошковой смеси в целом) 3 i Кσ 0,21 0,23 0,33 0,01 0,22 4 mi К 0,26 0,022 0,14 0,018 0,56 5 i M _ 0 , кг 0,021 0,0016 0,011 0,0015 0,045
Теории и технологии в металлургии и металлообработке 9 Окончание табл. 2 1 2 3 4 5 6 7 6 sum изм W _ , Дж 1058,741 (для порошковой смеси в целом) 7 i изм W _ , Дж 218,6 247,2 351,4 10,63 230,9 8 св св U n ⋅ , Дж 0,2·10-18 0,3·10-18 0,27·10-18 0,32·10-18 0,5·10-18 9 i изм St _ 0,955 0,961 0,963 0,840 0,313 10 пс f , м2 0,1·10-18 0,1·10-18 0,09·10-18 0,3·10-18 0,1·10-18 11 iε 5,0·10-4 7,7·10-4 6,3·10-4 3,1·10-5 4,7·10-4 12 sum M _ 0 , кг 0,08 (для порошковой смеси в целом) 13 м V , м3 0,00002 (для порошковой смеси в целом) 14 i инт D _ , % 0,57 1,40 0,7 0,44 0,61 15 sum инт D _ , % 3,7 (для порошковой смеси в целом) 16 i пор W _ , Дж 15217,6 484,5 9312,5 3246,3 35037,1 Установлено, что наименьшая основная размерная фракция образовалась для тантала, наибольшая – для кремния. Максимальную степень измельчения имеет хром, минимальную – карбид вольфрама. Следует отметить, что для хрома, тантала и молибдена степени измельчения оказались близкими по величине, хотя данные материалы различаются по своим механическим свойствам. Этот факт можно объяснить комбинированным влиянием как механических характеристик, так и физических, а также массовой доли материала в смеси. Кремний немного отстает по степени измельчения от первых трех компонентов. Наименьшая энергия измельчения была затрачена на кремний, наибольшая на молибден. Статистическая оценка размерного фракционного состава измельченной порошковой смеси была выполнена для выявления доли заданного фракционного нанодиапазона в общей порошковой совокупности с целью декларирования утверждения о том, что полученная проволока является наномодифицированной. Для решения поставленной задачи было использовано логарифмически нормальное распределение (ЛНР). Расчет долей производился для каждого компонента порошковой смеси с последующим их суммированием для определения общей доли частиц, соответствующей заданному фракционному нанодиапазону. При этом медианой распределения для каждого компонента являлась ранее вычисленная величина среднего размера частиц k ч L . , априорно рассматриваемого в качестве основной по содержанию фракции внутри общей порошковой массы, (см. табл. 2). Для установления факта наномодифицированности проволоки ис
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1 10 пользовалось условие [ ] min _ D D sum инт ≥ , (2) где sum инт D _ – суммарная доля заданного нанодиапазона размерной фракции, %; [ ] min D – заданное пороговое значение доли искомой нанофракции, %. При заданном искомом нанодиапазоне с размерами измельченных частиц меньше или равно 100 нм, величина [ ] min D была установлена на уровне 0,005 %. Суммарная доля заданной размерной фракции sum инт D _ по n компонентам порошковой смеси определялась выражением как сумма долей частиц заданного нанодиапазона для i -го компонента смеси i инт D _ . Результаты расчета доли частиц заданного нанодиапазона пред ставлены в табл. 2 (пункты 14 и 15). Учитывая, что [ ] % 005 ,0 min = D , условие [ ] min _ D D sum инт ≥ выполнено, т.е. необходимая суммарная доля раз мерной фракции порошка в заданном нанодиапазоне достигнута. Этот факт позволяет заявить, что проволока, рассмотренная в процессе расчета, является наномодифицированной. Наименьшее количество фракции, соответствующей заданному нанодиапазону, образовалось у кремния, наибольшее количество – у тантала. Для кремния соответствующий результат объясняется тем, что хотя механические свойства его и невысокие, но массовая доля также невелика. Максимальный результат у тантала объясняется наименьшим среди компонентов смеси начальным размером частиц i ч L _ 0. и сравнительно невысокими механическими свойствами. Зависимости среднего размера образовавшихся частиц от энергии измельчения для компонентов порошковой смеси сердечника проволоки представлены на рис. 2-6. Характер указанных зависимостей нисходящий, т.е. при увеличении энергетических затрат на измельчение основная преобладающая размерная фракция уменьшается. При этом установлено их геометрическое подобие для разных компонентов смеси. Также для каждого компонента смеси было определены пороговые значения энергии измельчения i пор W _ , при которых частицы порошковых компонентов смеси, соответствующие заданному ранее нанодиапазону (меньше или равно 100 нм), образуют основную преобладающую размерную фракцию. Результаты расчета сравнивались с величиной затраченной энергии на измельчение i -го компонента смеси i изм W _ (см. табл. 2, пункты 7 и 16).