Обеспечение качества технологического процесса изготовления изделий из композитных материалов с использованием кольцевых силовых элементов из никелида титана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Хлопков Елисей Алексеевич

• Хлопков Елисей Алексеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Хлопков Елисей Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩЕГО НА ЭФФЕКТЕ ПАМЯТИ ФОРМЫ

1.1 Технология изготовления слоистых изделий

1.2 Параметры качества слоистых изделий. Технологические условия

1.3 Анализ функциональных элементов, действующих на эффекте памяти формы

1.4 Влияние температурных режимов на деформационно-силовые характеристики силовых элементов с эффектом памяти формы

1.5 Влияние конструктивных параметров на деформационно-силовые характеристики силовых элементов из сплавов с эффектом памяти формы

1.6 Влияние скорости изменения температуры на функциональные свойства силовых элементов из материалов с эффектом памяти формы

Выводы. Постановка цели и задачи исследования

2 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩЕГО НА ЭФФЕКТЕ ПАМЯТИ ФОРМЫ

2.1 Описание эксперимента

2.1.1 Динамометр для исследования кольцевых силовых элементов

2.1.2 Описание образцов, методики исследования и способа термосилового воздействия

2.2 Деформационно-силовые свойства кольцевых силовых пучковых элементов при подготовке к работе вблизи температур интервала прямого превращения

2.2.1 Кольцевые силовые пучковые элементы из сплава Т1№ 50,35 ат. %

2.2.2 Кольцевые силовые пучковые элементы из сплава Т1№ 50,45 ат. %

Выводы

3 ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО КОНСТРУКЦИОННОГО ПАРАМЕТРА КОЛЬЦЕВЫХ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Исследование деформационно-силовых параметров кольцевых силовых ленточных элементов

3.1.1 Материалы и методика эксперимента

3.1.2 Деформационно-силовые характеристики кольцевых силовых ленточных элементов

3.2 Исследование влияния диаметра проволоки Т1№ на рабочие характеристики силовых элементов

3.2.1 Объекты исследования. Методика эксперимента

3.2.2 Деформационно-силовые характеристики равномассовых кольцевых силовых пучковых элементов

Выводы

4 ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Методика расчета температурных полей в рамках математической модели механизма остаточных напряжений материалов с эффектом памяти формы

4.2 Анализ температурных полей в цилиндрах и пластинах из никелида титана при охлаждении

4.3 Пластичность превращения в кольцевых силовых пучковых элементах

4.4 Пластичность превращения в кольцевых силовых ленточных

элементах

Выводы

5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Апробация выбора рациональных температурных режимов работы оборудования в технологическом процессе

5.2 Рекомендации для конструкторов и технологов

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение качества технологического процесса изготовления изделий из композитных материалов с использованием кольцевых силовых элементов из никелида титана»

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении присутствует большой класс деталей, выполняющих ответственные функции в условиях повышенных вибрационных нагрузок.

Синтетические материалы на основе поливинилацетата являются лидерами среди полимеров по вибропоглощающим свойствам [1]. Вибропоглощающая самоклеящаяся пленка ВПС -2,5, разработанная и изготовленная в ОАО «Пластполимер», предназначена для создания слоистых композитных конструкций. Такая пленка успешно применяется в вибродемпфировании различных узлов морской техники в качестве одного из компонентов составных структур. При этом они могут быть представлены в виде пайол, составных балок различных профилей, трубопроводов. Высокие демпфирующие свойства пленки ВПС-2,5 толщиной 0,3 - 0,5 мм проявляются в диапазоне частот от 1 Гц до 10000 Гц, что позволяет решать задачи по снижению вибрационного воздействия без существенного увеличения общего веса и размера конструкций.

При изготовлении таких металлополимерных конструкций, как корпусные детали или амортизаторы оборудования, самоклеящаяся пленка не требует термомеханического воздействия для соединения с демпфируемой поверхностью. Лишь в ряде случаев достаточно применения праймеров, или грунтовок, в зависимости от типа и качества поверхности нанесения.

В настоящее время существует серьезная проблема защиты операторов различных систем при контакте с вибрирующими поверхностями (инструмент, обрабатываемая деталь, оборудование, ручки, поручни). Мероприятия по снижению вредного влияния вибраций на организм человека в основном должны осуществляться с применением при сборке деталей антивибрационных накладок и средств индивидуальной защиты. Эти элементы сборочных

конструкций должны содержать слои, непосредственно контактирующие с оператором и отделяющие его от контакта с упругодемпфирующим элементом.

Применение сочетания пленки ВПС-2,5, тканевой основы и упругого элемента позволяет создавать эргономичные и наболее эффективные средства защиты от вибрации [2]. В производстве таких изделий необходимо термомеханическое воздействие на соединяемые слои випропоглощающей пленки и тканевой (кожаной) основы. Термосиловое воздействие включает в себя создание тепловых условий (~ 373 К) и обеспечение постоянного давления на обрабатываемые объекты в условиях взаимного диффузионного проникновения материала основы и полимерной пленки.

Применение кольцевых силовых пучковых элементов (КСПЭ) из никелида титана в технологической операции изготовления вибропоглощающих слоистых структур повысило объем производимых заготовок и показало эффективность, простоту и надежность технологических приспособлений, работающих на эффекте памяти формы (ЭПФ) [3]. КСПЭ используются в качестве приводов приспособления, обеспечивая давление на обрабатываемые объекты.

Специалистам современного машиностроения широко известен класс материалов, обладающих термоупругими мартенситными превращениями. К нему относятся сплавы на основе ^-N1, ^-ЛЬМ, ^^п, Mn-Cu, Fe-Mn и другие. Этим металлам принадлежит комплекс уникальных функциональных физико-механических свойств: эффект памяти формы, генерация усилий при нагреве, «псевдоупругость», обратимая память формы, эффект реверсивной памяти формы, пластичность прямого превращения и другие.

Конструкции механизмов, действующие с использованием рабочих возможностей материалов с ЭПФ, нашли свое применение в технических изделиях (от медицинских имплантатов до устройств развертывания в космических аппаратах). Расширяется перечень используемых материалов с ЭПФ и изделий из них. Однако закономерности деформационно-силовых характеристик и физических механизмов работы этих устройств в основном

выведены из результатов лабораторных исследований стандартизированных образцов (на растяжение/сжатие, изгиб, кручение). То есть при разработке технологического оборудования, как правило, не учитываются конструктивные особенности изделия. Также сдерживающим фактором является отсутствие систематических исследований влияния температуры, геометрических параметров и силового воздействия на процессы их деформирования в результате мартенситных превращений для новых конструкций специальных элементов технологического оборудования.

Актуальность исследования на сегодняшний день обусловлена эффективностью практического применения устройств, изготавливаемых на основе материалов с ЭПФ, в машиностроении, медицине и аэрокосмической индустрии. Использование подобных изделий способствует непрерывному расширению подходов к усовершенствованию состава материалов и форм силовых элементов, а также диктует необходимость комплексного изучения закономерностей термоиндуцированных деформационных процессов. Исследования технологического процесса изготовления слоистых изделий выявили сложность деформационных процессов, которые обусловлены не только ЭПФ, но и эволюцией упругих характеристик.

Анализ существующих подходов к разработке технологических процессов на основе ЭПФ позволил выявить возрастающую потребность в технологиях изготовления устройств и их апробации в действующих конструкциях. Однако отсутствуют научно-обоснованные способы разработки данных технологий.

Необходимость разрешения данного противоречия определила актуальность проведения исследования КСПЭ, приводов уникальной технологической установки, работающей на ЭПФ.

Целью работы является повышение эффективности процесса обеспечения качества технологии изготовления изделий из композитных материалов на основе использования кольцевых силовых элементов из никелида титана.

Таким образом, диссертационные исследования нацелены на получение комплекса взаимодополняющих экспериментальных зависимостей о температурных режимах (абсолютных значениях температуры и скорости ее изменения), силовых факторах, конструкционных параметрах изделий и деформационно-силовых характеристиках кольцевых силовых элементов.

Для достижения цели поставлена задача исследования, состоящая в разработке комплекса методик обеспечения качества технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий на основе применения сплавов с ЭПФ и способа термосилового воздействия на элементы технологического оборудования КСПЭ, сочетающего деформирование в состоянии пластичности превращения при охлаждении под нагрузкой и активного деформирования.

Объект исследования - технологический процесс изготовления изделий из композитных материалов.

Предмет исследования - процесс обеспечения качества данной технологии.

Методы исследования

Экспериментальное изучение формоизменения образцов кольцевых силовых элементов из сплава Т№ в условиях силового взаимодействия с контртелом при разных режимах нагрева и охлаждения, изменении геометрических параметров конструкций. Условия нагружения регулируются специально разработанными и сконструированными динамометрами. Скорость изменения температуры варьируется путем выбора соответствующих режимов работы термокамер и холодильного оборудования.

Расчет температурных полей по сечению материала, основанный на математической модели механизма остаточных напряжений сплавов с ЭПФ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ термосилового воздействия на элементы технологического оборудования КСПЭ с использованием состояния пластичности превращения и

активного деформирования в мартенситном состоянии, позволяющий повысить эффективность технологического процесса.

2. Методика выбора рационального температурного режима работы технологического оборудования, действующего на основе ЭПФ.

3. Методика выбора рационального геометрического параметра элементов технологического оборудования КСПЭ, позволяющая обеспечить качество технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий.

4. Методика анализа гетерофазной зоны, позволяющая качественно прогнозировать работу технологического оборудования.

5. Практические рекомендации по обеспечению качества технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий за счет повышения эффективности работы элементов оборудования КСПЭ.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы обеспечены использованием апробированных экспериментальных методик, использованием поверенной измерительной техники, математически строгой обработкой полученных экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов и соответствием полученных закономерностей их теоретическому обоснованию. Все результаты и выводы не противоречат современным научным представлениям, опубликованы в печатных рецензируемых изданиях и апробированы в процессе докладов на семинарах, симпозиумах, конференциях, при общении с авторитетными представителями научного сообщества в области технологии машиностроения, прочности материалов, с исследователями сплавов с ЭПФ.

Научная новизна

1. Впервые определены зависимости деформации ЭПФ и генерируемых усилий КСПЭ из сплавов 50,45 ат. % и 50,35 ат. % после

деформирования в разных температурных условиях вблизи интервала прямого мартенситного превращения. Выявлен рациональный температурный режим работы КСПЭ для получения наибольших силовых возможностей. Определено,

что деформирование КСПЭ из сплава Т№ 50,45 ат. % при Т = 271 К производится с минимальными усилиями.

2. Получены температурные зависимости:

- проявления ЭПФ и генерации усилий в КСПЭ из сплава Т№ 50,08 ат. % от диаметра элемента пучка;

- проявления ЭПФ и генерации усилий в кольцевых силовых ленточных элементах (КСЛЭ) из сплава Т№ 49,9 ат. %. Показана эквивалентность удельных силовых характеристик ленточных и пучковых элементов.

3. Решена задача расчета эволюции температурного поля и зоны гетерофазного состояния в цилиндрах и пластинах при разных режимах охлаждения в рамках математической модели механизма остаточных напряжений сплавов с ЭПФ. Результаты расчетов позволили объяснить причины падения деформационных возможностей КСПЭ при повышении скорости охлаждения поверхности материала.

Теоретическая и практическая значимость

Теоретическая значимость работы состоит в разработке следующих способа и комплекса методик:

1. Способ термосилового воздействия на элементы технологического оборудования кольцевые силовые пучковые элементы с использованием состояния пластичности превращения и активного деформирования в мартенситном состоянии, позволяющий повысить эффективность технологического процесса.

2. Методика выбора рационального температурного режима работы технологического оборудования, действующего на основе ЭПФ.

3. Методика выбора рационального геометрического параметра элементов технологического оборудования КСПЭ, позволяющая обеспечить качество технологического процесса изготовления слоистых антивибрационных изделий.

4. Методика анализа гетерофазной зоны, позволяющая качественно прогнозировать работу технологического оборудования.

Данные способ и методики будут способствовать развитию аналитических и численных методов расчета физических процессов, сопровождающих мартенситные превращения, и моделирования работы силовых элементов.

Практическая значимость работы заключается:

1. Определены деформационно-силовые характеристики КСПЭ из сплава

50,45 ат. %, КСПЭ из сплава 50,35 ат. %, трех пар одномассовых

КСПЭ из сплавов 50,08 ат. % с разными диаметрами элемента в пучке, КСЛЭ из сплава 49,9 ат. %.

2. Получены данные о температурных зависимостях функциональных свойств КСПЭ из сплава при подготовке к работе в разных температурных условиях, позволяющие инженерам выбирать рациональный режим предварительного деформирования и термоциклирования.

3. Получены данные о температурных зависимостях функциональных свойств трех пар одномассовых КСПЭ, позволяющие изготавливать рациональные конструкции рабочих элементов и механизмов.

4. Реализована в программном варианте методика расчета температурных полей и определения области гетерофазного состояния в цилиндрических объектах и пластинах из никелида титана при прямом фазовом переходе.

5. Разработана и введена в эксплуатацию усовершенствованная испытательная установка «ЛИНД-3» для изучения элементов технологического оборудования КСПЭ.

6. Разработаны рекомендации для инженеров по работе с функциональными элементами кольцевого типа на основе ЭПФ.

7. Для предприятия ООО «ОПТИМИКСТ ЛТД» реализован комплекс мероприятий, в результате которых повышен объем выпускаемых изделий на 20 %.

Личный вклад автора

Результаты исследований отражены в 26 работах, в которых соискатель выполнил основную часть экспериментов, обработал данные и

проанализировал их. Соискатель участвовал в обсуждениях результатов расчетов, подготовил публикации и доклады на конференциях. Доц. Макарова Т.А. консультировала при конструировании

модернизированного динамометра «ЛИНД-3», участвовала в обсуждении результатов исследований. К.ф.-м.н. Вьюненко Ю.Н. участвовал в организации проведения экспериментальных испытаний, обсуждении результатов. Доц. Волков Г.А. помогал в проведении экспериментов и обсуждении результатов исследований, связанных с температурными режимами работы КСПЭ. Инженер Янченко М.В. и ООО «ТЕХНО инкон» оказали помощь в изготовлении динамометра «ЛИНД-3». Инженер Турзаков А.С. помогал в получении образцов КСЛЭ, КСПЭ и динамометра «ЛИНД-3». Соавторы доц. Помыткин С.П., доц. Дмитриевский А.А., к.ф.-м.н. Смирнов И.В., к.т.н. Затульский Г.З., Журбенко П.Н., Тихомиров А.А., Киселев А.Ю., Носковец А.А., Осипенко С.В., Кияев И.С. оказали помощь в получении отдельных результатов. Научный руководитель доц. Любомудров С.А. определил цели и задачи исследования, участвовал в обсуждении полученных данных.

Апробация результатов работы

Результаты работы соискателя были представлены на конференциях и симпозиумах:

- выступление с устным докладом на Второй международной научной конференции «Сплавы с эффектом памяти формы» к 85-летию со дня рождения В.А.Лихачева, 20-23 сентября 2016 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление со стендовым докладом на IX Международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» ФППК-2016, посвященной памяти академика Г.В. Курдюмова, 7-11 ноября 2016 г., г. Черноголовка;

- выступление с устным докладом на научной конференции с международным участием Неделя науки СПбПУ, 14-19 ноября 2016 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление с устным докладом на международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», 22-26 мая 2017 г., г. Витебск, респ. Беларусь;

- выступление со стендовым докладом на VII Международной конференции «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов», посвященной памяти проф. С.С. Горелика, 2-5 октября 2017 г., г. Москва;

- выступление с устным докладом на VII научно-технической конференции молодых специалистов «Корабельные системы управления и обработки информации. Проектирование и изготовление», 5 октября 2017 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление с устным докладом на научной конференции с международным участием Неделя науки СПбПУ, 13-19 ноября 2017 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление с устным докладом на отчетной научной конференции ДонФТИ им. А.А. Галкина за 2017 г., 6-8 февраля 2018 г., г. Донецк;

- выступление со стендовым докладом на конференции XXIII Петербургские чтения по проблемам прочности, посвященные 100-летию ФТИ им. А.Ф. Иоффе и 110-летию со дня рождения чл.-кор. АН СССР А.В. Степанова, 10-12 апреля 2018 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление со стендовым докладом на 60 Международной научной конференции «Актуальные проблемы прочности», 14-18 мая 2018 г., г. Витебск, респ. Беларусь;

- Выступление с устным докладом на 7 Международной научно -практической конференции «Современное машиностроение: наука и образование ММЕ8Е-2018», 29-30 мая 2018 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление с устным докладом на IX Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (МРБР - 2018), 25-29 июня 2018 г., г. Тамбов;

- выступление с устным докладом на научно-практической конференции с международным участием XLVII «Недели науки СПбПУ», 19-24 ноября 2018 г., г. Санкт-Петербург;

- выступление со стендовым докладом на международном симпозиуме «Перспективные материалы и технологии», 27-31 мая 2019 г., г. Брест, респ. Беларусь;

- выступление с устным докладом на международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов» ФППК-2020, посвященной памяти академика Г.В. Курдюмова, 26-30 октября 2020 г., г. Черноголовка.

Разработанные способ термосилового воздействия на рабочие элементы технологического устройства кольцевые силовые пучковые элементы и методика выбора рациональных температурных режимов были применены при производстве антивибрационных деталей на предприятии ООО «ОПТИМИКСТ ЛТД».

Результаты исследования температурных режимов работы КСЛЭ, представленные в диссертационной работе, были получены в ходе работ по проекту РФФИ № 19-38-90285 «Аспиранты», 2019-2022 гг.

Публикации

По тематике диссертации в 2016-2021 гг. опубликовано 26 печатных работ, в том числе 4 работы в рецензируемых изданиях «Скопус» (Scopus) и «Сеть науки» Web of Science и 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения по результатам работы, списка литературы из 134 наименований, общим объемом 116 страниц машинописного текста, включая 43 рисунка, 5 таблиц.

Теоретическая и экспериментальная части работы выполнены в Высшей школе машиностроения Института машиностроения, материалов и транспорта ФГАОУ ВО «СПбПУ Петра Великого».

1 АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ДЕЙСТВУЮЩЕГО НА

ЭФФЕКТЕ ПАМЯТИ ФОРМЫ

Технология изготовления слоистых композиций зависит от компонентов составляющих элементов. При соединении випропоглощающей пленки ВПС -2,5 с металлами и пластиками, в основном, не требуется применения термосилового воздействия [1]. В технологической операции получения заготовок для антивибрационных покрытий, где нужно сопряжение по всей поверхности материалов основы с пленкой ВПС-2,5, необходимо применять термосиловое воздействие. Эффективным решением стало использование кольцевых конструкций из материалов с ЭПФ, поскольку они могут генерировать силу в процессе трансформации кристаллической решетки и оказывать давление на пакет заготовок. Внедрение технологической установки, действующей на ЭПФ, повысило эффективность технологического процесса изготовления изделий из композитных материалов.

Анализ существующих конструкций из сплавов с ЭПФ в разных сферах человеческой жизнедеятельности позволил выделить такую группу механизмов, как «мартенситные преобразователи энергии» [4]. Однако необходимо провести анализ научной литературы с целью выбора рациональной силовой конструкции, способной обеспечить потребности технологической операции изготовления слоистых структур. Анализ рассмотренных данных показал 4 основные сферы использования конструкций из материалов с ЭПФ: технические устройства, медицинские приспособления и импланты, средства обеспечения безопасности, строительная техника.

Функциональные свойства никелида титана зависят от условий, сопровождающих мартенситное превращение. Помимо этого, необходим выбор рационального сортамента для изготовления силовых элементов.

1.1 Технология изготовления слоистых изделий

Технологию изготовления антивибрационных слоистых покрытий для технологического оборудования рассмотрим на примере производства заготовок для средств индивидуальной защиты. Технологический маршрут изготовления средств индивидуальной защиты от вибрации (пооперационно) представлен в таблице 1.1. На рисунках 1.1.1 и 1.1.2 показаны эскизы типовых изделий.

Традиционная технологическая операция Термическая 2 при изготовлении слоистых изделий состояла в поддержании постоянного давления на сэндвичи в условиях нагрева в термостате (рисунок 1.1.3). Однако данный метод позволял загружать камеру печи лишь наполовину, так как остальное пространство занимали грузы, обеспечивающие силовое воздействие. Максимальная нагрузка не превышала 300 Н. Применение технологической установки «ШеР» повысило объем загрузки печи в технологической операции вдвое (рисунок 1.1.4).

180-200

Рисунок 1.1.1 - Перчатки антивибрационные НТОТ 3: 1 - I накат; 2 - II накат; 3 - запятая, 4 - большой овал; 5 - малый овал

А-А

Рисунок 1.1.2 - Сечение виброзащитного слоя: 6 - ткань - поверхность соприкосновения ладони с рабочей поверхностью, 7 - вибропоглощающая пленка, 8 - основа - трикотаж, 9 - упругий элемент

а б

Рисунок 1.1.3 - Технологическая операция спекания пакета заготовок ¥1 с давлением в 300 Н при температуре Т = 400 К: а - в начальный момент времени, б - после осуществления полного соединения материалов

Таблица 1.1 - Маршрут изготовления средств индивидуальной защиты от вибрации

№ оп. Наименование операции Содержание операции Оборудование

015 Заготовитель -ная Обуть заготовку - трикотажную перчатку (поз. 8 на рисунке 2.1.2) на растяжку Пластина для растяжки

020 Раскройная 1 Раскрой I наката из пленки ВПС 2,5 (поз. 1 и 3 на рисунке 2.1.1), заготовок для II наката из пленки ВПС 2,5 (для поз. 2, 4, 5 на рисунке 2.1.1) Ножницы, лекало, стол

025 Раскройная 2 Раскрой заготовок для II наката из ткани (для поз. 2, 4, 5 на рисунке 2.1.1) Нож электрический, лекало, стол

030 Термическая 1 Соединить заготовки для II наката из пленки ВПС 2,5 и заготовки для II наката из ткани Печь, груз

035 Раскройная 3 Раскрой заготовок II наката Ножницы, лекало, стол

040 Термическая 2 Соединить обутые перчатки и I накат из пленки ВПС 2,5 Печь, груз

045 Сборочная Собрать перчатки с I накатом, II накат и упругие элементы (поз. 9 на рисунке 2.1.2) Нож, стол, ножницы

050 Контрольная Контроль качества изделия Образец -эталон

Под действием тепловой энергии предварительно продеформированные

КСПЭ из сплава Т№ (позиция 1 на рисунке 1.1.2) стремятся восстанавить начальную форму в результате развития ЭПФ и генерируют усилия, сжимающие пакет заготовок (позиция 5 на рисунке 1.1.2), что обеспечивает диффузионное соединение основы и вибропоглощающей пленки по всей поверхности соприкосновения материалов. Таким образом, объемные грузы удалось заменить парой приводов общей массой 60 г, способных создавать усилия до 1200 Н. Повышение уровня силового воздействия на обрабатываемые объекты позволило дополнительно сократить время технологической операции с 4 ч до 2,5 ч в разогретом до 400 К термостате. Таким образом, общий объем выпускаемых в рабочую смену заготовок из одной печи вырос с двух пакетов с объемом ¥1 до 3 закладок деталей с объемом ¥2 = 2¥1. То есть эффективность работы одного термостата удалось повысить в 3 раза. На рисунке 1.1.5 показано устройство, подготовленное к технологической операции.

а б

Рисунок 1.1.4 - Технологическая операция спекания пакета заготовок ¥2 в прессе «ШеР» при Т = 400 К: а - в начальный момент времени, б - после осуществления полного соединения материалов, 1 - КСПЭ

z 1 А

5_

А_

Рисунок 1.1.5 - Технологическая установка «ШеР», работающая на ЭПФ: 1-КСПЭ, 2 - захват, 3 - подвижная плита, 4 - основание, 5 - пакет заготовок, 6 -

захват

1.2 Параметры качества слоистых изделий. Технологические условия

Качество слоистых изделий определяется взаимным диффузионным проникновением пленки ВПС-2,5 и материала основы вибропоглощающего элемента. В зависимости от вида изделий (перчатки или вкладыши рукавиц) варьируется необходимый уровень спекаемости. Он достигает 100 % для периметра контакта сопрягаемых поверхностей и 95 % для остальной части (рисунок 1.2.1). Контроль на соответствие образцу-эталону осуществляется методом визуального осмотра всех изделий и заготовок на каждой операции. Качество композитных материалов обеспечивает соблюдение технологических условий их изготовления.

В работе [3] показано, что при применении технологических установок «ШеР», работающих с помощью ЭПФ, для получения качественных изделий в

пакете заготовок достаточно, чтобы пара КСПЭ при нагреве могла создавать усилия в 1000 Н (рисунок 1.2.2).

а б

Рисунок 1.2.1 - Заготовка из композитных материалов: а - удовлетворительного качества, б - требующая дополнительного термомеханического воздействия

1100 1-1-1-1-1-1

900

feT 700 500

300

0 30 60 90 120 150 t, min

Рисунок 1.2.2 - Временная зависимость усилия, создаваемого КСПЭ при изготовлении изделий из композитных материалов При этом необходим анализ силовых элементов из сплавов с ЭПФ для поиска рациональных конструктивных решений. Также требуется выявление

условий эксплуатации оборудования, влияющих на обеспечение эффективности технологического процесса.

1.3 Анализ функциональных элементов, действующих на эффекте памяти

формы

Наиболее известными техническими решениями, реализованными с помощью узлов из материалов с ЭПФ, являются проекты «Софора» [5] и «Рапана» [6], которые монтировались на орбитальной станции «МИР». Разработка технологии сборки ферменных конструкций осуществлялась учеными из ЛГУ, г. Санкт-Петербург (сейчас СПбГУ), проф. Лихачевым В.А. и проф. Разовым А.И, ныне декан математико-механического факультета СПбГУ. При создании трансформируемых устройств применялись проволочные приводы из проволоки диаметром 2 мм, муфты с ЭПФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хлопков Елисей Алексеевич, 2022 год

- -

20 40

60 80 1ШП

г 420

415

410

405

К

400

100 120 140

Рисунок 3.1.2 -Формоизменения КСЛЭ (1) в течение времени при нагреве от

403 К до 420 К (2) в термоцикле 1

Рисунок 3.1.3 - Зависимость положения контрольной точки к от времени в процессе охлаждения в первом термоцикле Во время второго термоцикла при ^о ~ 410 Н КСПЭ нагревали от комнатной температуры до 420 К. Деформационный процесс ЭПФ происходил в температурном интервале от 388 К до 408 К (рисунок 3.1.4, кривая 1). Режим нагрева аналогичен представленному на рисунке 2.1.6.

Рисунок 3.1.4 - Зависимость положения контрольной точки к от Тво 2 (1) и 3

(2, 3) циклах

Нагрев во время третьего термоцикла осуществлялся при силе начального противодействия ЭПФ 10 в 340 Н. Формовосстановление на этапе роста температуры, как и в предыдущем термоцикле, происходило в интервале температур от 388 К - 408 К (рисунок 3.1.4, кривая 2). Деформационный процесс формоизменения КСПЭ, обусловленный пластичностью превращения, отмечен при температурах от 333 К - 313 К (рисунок 3.1.4, кривая 3).

В результате охлаждения силовой контакт КСЛЭ с контртелом при комнатной температуре оказался равным 300 Н. Снижение величины усилия взаимодействия связано с ростом d1 в результате пластичности превращения и увеличением расстояния между подвижной пластиной 3 и зафиксированной в первых трех опытах плитой 4 испытательной установки «ЛИНД». Далее в пяти термоциклах увеличивали значение 10 от 300 Н до 550 Н. Как видно на рисунке 3.1.5 на кривой 1 формовосстановление КСЛЭ, в отличие от КСПЭ, почти постоянно (рисунок 3.1.5, кривая 3). У пятивитковых проволочных силовых элементов из сплава Т№ 50,45 ат. % в этом диапазоне наращивания усилия 10 деформации ЭПФ немонотонны. При нагрузке 10 ~ 440 Н наблюдался максимум в деформационном значении А, который составил ~ 5 мм. Дальнейшее повышение силового взаимодействия с контртелом привело к спаду деформационных возможностей КСПЭ при нагреве.

В следующих 3 циклах снижали начальное силовое воздействие на КСЛЭ от 550 Н до 320 Н, при этом параметр ЭПФ практически не изменился и оказался на отметке ~ 3,7 мм (рисунок 3.1.5, кривая 2). При последующем понижении силы контакта ленточных силовых элементов с контртелом отметили падение деформационно-силовых параметров (рисунок 3.1.5, кривая 2) [120].

3

2 АЖ У^ —♦

¥Ш ♦ 1

■ /

О 100 200 300 400 500 600 700

Рисунок 3.1.5 - Зависимость максимального значения параметра ЭПФ А от начального усилия для КСЛЭ (1, 2), КСПЭ Т№ 50,45 ат. % (3)

Для определения удельных силовых возможностей КСЛЭ на единицу массы подсчитан сило-массовый коэффициент кРт = / т (где ^тах -максимальное значение генерируемой силы в 920 Н, т - масса силового элемента). Подсчет показал, что величина кРт равняется 20 Н/г, такой же

показатель характерен и для КСПЭ [70].

Деформационные возможности КСЛЭ уступают аналогичным параметрам пучковых силовых элементов, однако имеют равные силовые свойства на единицу массы. Максимальная сила взаимодействия с контртелом не соответствует требуемому показателю в 1000 Н для обеспечения качества технологического процесса изготовления изделий из композитных материалов.

Данные о соответствии сило-массовых коэффициентов КСЛЭ и КСПЭ говорят о том, что необходимо разрабатывать технологию деформирования и рациональную геометрию ленточных приводов, чтобы обеспечить эффективность работы технологического оборудования.

3.2 Исследование влияния диаметра проволоки Т1М на рабочие характеристики силовых элементов

3.2.1 Объекты исследования. Методика эксперимента

Для изготовления КСПЭ использовали проволоки из сплава Т№ 50,08 ат. %. Три опытных пары образцов КСПЭ замкнутой кольцевой формы формировались на оправке диаметром 63 мм. Масса каждого из силовых элементов составляла ~ 26 г. Первая пара состояла из 24 витков проволоки диаметром сечения dпр = 1 мм. Вторую пару из проволоки dпр = 2 мм сделали из 6 витков. Из проволоки диаметром 2,5 мм были сделаны два четырехвитковых силовых элемента. После того как КСПЭ сняли с оправки и соединили свободные концы проволоки, диаметр силового элемента d1 стал равным 59 мм.

Эксперимент осуществляли в динамометре «ЛИНД» (рисунок 2.1.3). Деформацию КСПЭ задавали при помощи стальной спиральной пружины-контртела (жесткостью К = 100 Н/мм) с приложением начального усилия Г0 при минимальной температуре термоцикла Т = 279 К. В данных условиях материал силовых элементов находился полностью в мартенситном состоянии. После активного деформирования КСПЭ вместе с ЛИНДом нагревали до ~ 403 К, переводя материал полностью в аустенитное состояние. Затем «ЛИНД» охлаждали вместе с термостатом до 299 К, далее помещали в холодильную камеру с температурой 279 К. После этого проводили дополнительную деформацию силовых элементов и осуществляли очередной термоцикл. Во время испытаний наблюдали за формоизменением характеристического размера d(t) по перемещению подвижной плиты 3 и определяли генерацию усилий Г^).

3.2.2 Деформационно-силовые характеристики равномассовых кольцевых

силовых пучковых элементов

Рост характеристического параметра d(t) во время первого нагрева (рисунок 3.2.1, а), направленный в сторону силового воздействия контртела, связан с «дефектом» модуля упругости, возникающим с началом перестройки кристаллической решетки при обратном мартенситном превращении. При этом происходит снижение силы взаимодействия КСПЭ с контртелом (рисунок 3.2.1, б). Продолжение нагрева привело КСПЭ трех конструкций к форме, приобретенной в результате начального деформирования. Охлаждение под нагрузкой в первом термоцикле позволило наблюдать формоизменения эффекта пластичности превращения, которые превысили характеристические размеры КСПЭ d(t).

При формоизменениях размера КСПЭ ~ 12 мм значения Г0 для двух пар оказались на одном уровне (рисунок 3.2.2, кривые 1 и 2). Деформирование на эту величину четырехвитковой пары потребовало приложения начального усилия в 500 Н (рисунок 3.2.2, кривые 3). Деформирование двадцатичетырехвитковых КСПЭ на 12 мм заняло 7 циклов, шестивитковых КСПЭ - 4 цикла, а четырехвитковых КСПЭ - 3 цикла. При таких начальных условиях результаты нагрева оказались следующими. Изменение формы силовых элементов из проволоки с dпр = 2 мм (рисунок 3.2.2, а, кривая 2) превзошло почти в 2 раза аналогичный показатель КСПЭ из проволоки диаметром 1 мм, который равнялся 2,3 мм (рисунок 3.2.2, а, кривая 1). По-видимому, наличие большей начальной силы противодействия остановило формоизменение ЭПФ четырехвитковых силовых элементов на отметке 3,6 мм (рисунок 3.2.2, кривые 3). При этом максимальная сила взаимодействия с контрелом оказалась самой высокой - 860 Н.

62,5

Е

й 62

61,5

61

2

]

+ А__^ > ^ЧЛ-ч-.-

-с-----

270 290 310

330 350 370

Г, К

а

390 410

б

Рисунок 3.2.1 - Температурные зависимости параметров формоизменений d (а) и усилий ^ (б) в 1 термоцикле КСПЭ с количеством витков:

1 - 24; 2 - 6; 3 - 4

Силовые элементы двадцатичетырехвитковой конструкции были доведены до формы с d1 = 79,65 мм за 14 термоциклов (рисунок 3.2.3, кривая 1). Начальное силовое взаимодействие с упругой пружиной в 15-м термоцикле составило ~ 870 Н. КСПЭ из двухмиллиметровой проволоки приобрели такую

же форму в результате 13 термоциклов. Сила Г0 в начале 14-го нагрева оказалось равной 485 Н. КСПЭ из проволоки диаметром 2,5 мм подвергались термосиловому воздействию в 6 циклах, после чего была получена форма с размером d1 = 79,65 мм. При этом усилие Г0 достигло 530 Н.

а

б

Рисунок 3.2.2 - Температурные зависимости параметров формоизменений d (а) и усилий Г (б) КСПЭ с количеством витков: 1 - 24, 8 цикл; 2 - 6, 5 цикл; 3 - 4, 4 цикл

а

б

Рисунок 3.2.3 - Температурные зависимости параметров формоизменений d (а) и усилий Г (б) КСПЭ с количеством витков: 1 - 24, 15 цикл; 2 - 6, 14 цикл; 3 - 4, 7 цикл

Вблизи температуры ~ 350 К при нагреве началось формоизменение шестивитковых КСПЭ (рисунок 3.2.3, а, кривая 2). При достижении температуры ~ 360 К были инициированы деформационные процессы ЭПФ у четырехвитковой пары КСПЭ (рисунок 3.2.3, а, кривая 3). И лишь при ~ 370 К

замечено начало изменения формы пары КСПЭ из проволоки диаметром 1 мм. Наиболее вероятно, что такая очередность срабатывания силовых элементов при нагреве обусловлена величиной усилия Г0. Значения начальной силы взаимодействия с контртелом минимально у шестивитковой пары и максимально у конструкции из проволоки диаметром 1 мм.

Процесс формоизменения сопровождается нарастанием силового воздействия на контртело (рисунок 3.2.3, б). У шестивитковой пары КСПЭ изменение физико-механических характеристик завершается вблизи температуры ~ 400 К. У четырехвитковой пары это происходит при нагреве до ~ 403 К. А у конструкции, изготовленной из миллиметровой проволоки, формоизменение останавливается при достижении температуры ~ 406 К.

Максимальное усилие Г было развито парой четырехвитковых КСПЭ. Оно достигло 1290 Н. У шестивитковых силовых элементов максимум генерируемой силы оказался равным 1170 Н. Немного выше результат у конструкций из 24-х витков - 1210 Н. Таким образом, конструкции из проволоки 2,5 мм превосходят в силовом эффекте другие рассмотренные варианты. Однако это преимущество не превышает 10 %. Иная ситуация в деформационных эффектах. Если формоизменение в результате ЭПФ у четырехвитковых конструкций составило 7,6 мм при максимальном силовом противодействии со стороны контртела, а у шестивитковых - 6,9 мм, то у пары КСПЭ из миллиметровой проволоки этот параметр равен 3,4 мм.

Предварительная деформация силовых элементов из проволоки диаметром 1 мм в первых пяти циклах происходит при постоянной силе сопротивления Г0 ~ 120 Н, а с 7 по 10 цикл при Г0 ~ 290 Н (рисунок 3.2.4, кривая 1). В этих условиях нагрев позволяет получить усилие в 620 Н. Дальнейшее деформирование осуществлялось с повышением силового контакта с упругой пружиной. При этом формоизменение в результате нагрева находится в интервале от 3 мм до 3,7 мм. Требуемый уровень генерируемых усилий в технологическом оборудовании для производства слоистых

антивибрационных изделий достигается в 13 цикле при ^о ~ 630 Н (таблица 3.2.1).

Деформирование КСПЭ из 6 витков при минимальной температуре термоцикла от исходного состояния до 78,6 мм осуществлялось при постоянной силе взаимодействия в 290 Н (рисунок 3.2.4, кривая 2). Это позволило лишь в 12 цикле достичь требуемых значений генерируемых усилий (таблица 3.2.2). Дальнейшее формоизменение в мартенситном состоянии происходило с повышением значения ^0, что привело к снижению смещений в результате нагрева. В 15 цикле с начальной силой взаимодействия в 760 Н показатели генерируемых усилий в результате перевода КСПЭ в аустенитное состояние достигли 1380 Н.

■ ▲ А

2 Л 3 1

i ♦ ♦ ф ♦

• ♦

--Ф'А-^ ▲ 1

0 200 400 600 800 1000

Рисунок 3.2.4 - Зависимость максимального значения параметра Amax от начального усилия F0 КСПЭ из проволок диаметром, мм: 1 - 1, 2 - 2, 3 - 2,5

Изменение характеристического размера КСПЭ, изготовленных из проволоки диаметром 2,5 мм, в первых 12 циклах осуществляется при ~ 290 Н (рисунок 3.4.4, кривая 3). При этом начальное взаимодействие с

контртелом равнялось ~ 500 Н. Требуемое усилие, обеспечивающее качество технологического процесса изготовления изделий из композитных материалов, получено в 5 цикле (таблица 3.2.3). Рост Г0 сохраняет показатели перемещений ЭПФ Дтах. При этом увеличиваются и силовые характеристики КСПЭ до 1380 Н [121-125].

Полученные результаты показывают преимущество (1 400 Н) в силовых характеристиках КСПЭ, изготовленных из проволоки никелида титана диаметром 2,5 мм, за счет снижения усилия, необходимого для их деформирования. Это обусловлено тем, что одинаковое изменение формы исследованных конструкций сопровождается разной степенью деформации материала. Обладая максимальным диаметром проволоки, 4 -витковые КСПЭ в процессе изгиба (в данном случае он не идеален) раньше других конструкций достигают предела упругости материала в наружных слоях. В результате степень неупругой деформации в них выше, а объем материала, претерпевшего неупругую деформацию, больше. Это обеспечивает преимущество в силовых характеристиках и, в данной ситуации, больший эффект формоизменения у КСПЭ четырехвитковой конструкции.

Таблица 3.2.1 - Деформационно-силовые параметры КСПЭ из проволоки диаметром 1 мм и 24-х витков

№ Ю, Н d1, мм Дтах, мм ^2, мм Г Н 1 max, Н

1 100 61,2 0 61,2 100

2 120 62,1 0,3 61,8 150

3 120 62,4 0,4 62 160

4 120 64,1 0,5 63,6 170

5 120 64,6 0,9 63,7 210

6 200 66,3 0,8 65,5 280

7 280 68,7 1,5 67,2 430

8 290 70,9 2,3 68,6 520

Продолжение таблицы 3.2.1

№ Ю, Н d1, мм Дтах, мм ^2, мм Г Н Г max, Н

9 300 72,9 2,55 70,35 555

10 290 73,8 3,3 70,5 620

11 405 74,95 3,05 71,9 710

12 550 76,9 3,3 73,6 880

13 630 78,3 3,6 74,7 990

14 730 79 3,6 75,4 1090

15 840 79,7 3,4 76,3 1180

16 880 80,2 3,7 76,5 1250

Таблица 3.2.2 - Деформационно-силовые параметры КСПЭ из проволоки диаметром 2 мм и 6-и витков

№ Ю, Н d1, мм Дтах, мм ^2, мм Г Н Г max, Н

1 290 61,3 0,15 61,15 305

2 290 63,9 1,65 62,25 455

3 290 66,9 2,4 64,5 530

4 290 69,25 3,9 65,35 680

5 295 71,1 4,5 66,6 745

6 290 72,7 5,15 67,55 805

7 290 73,7 5,7 68 860

8 290 75 6 69 870

9 290 76,2 6,7 69,5 965

10 290 76,9 6,6 70,3 960

11 290 77,9 6,6 71,3 950

12 290 78,6 7,3 71,3 1020

13 440 78,9 6,2 72,7 1060

14 485 79,65 6,85 72,8 1170

15 760 80,2 6,2 74 1380

Таблица 3.2.3 - Деформационно-силовые параметры КСПЭ из проволоки диаметром 2,5 мм и 4-х витков

№ Fо, Н мм Ашах, мм мм F Н 1 max, Н

1 150 61,3 0,05 61,25 155

2 310 62,9 0,5 62,4 360

3 480 66,4 1,9 64,5 670

4 500 70,9 3,6 67,3 860

5 500 75,1 5,6 69,5 1060

6 510 78 6,9 71,1 1200

7 530 79,6 7,6 72 1290

8 560 80,5 7,6 72,9 1320

9 645 80,65 7,35 73,3 1380

10 675 81,25 7,25 74 1400

Выводы

1. Конструкция КСЛЭ не удовлетворяет условию эффективной работы технологического оборудования для получения качественных изделий из композитных материалов при используемом режиме термосилового воздействия.

2. Показатели удельной силоемкости КСЛЭ соответствуют аналогичным значениям пучковых силовых элементов. Дальнейшая разработка геометрии сечения и режимов термосилового воздействия таких силовых устройств позволит достигнуть необходимых критериев обеспечения качества изготовления слоистых антивибрационных материалов.

3. Все три пары одномассовых КСПЭ, изготовленных из разного сортамента проволоки, соответствуют выполнению условия обеспечения качества технологического процесса изготовления изделий из композитных структур.

4. Рекомендовано использование КСПЭ шестивитковой конструкции для обеспечения минимальных гарантированных значений генерируемых усилий. Это обусловлено необходимостью приложения самой низкой силы в 290 Н на их деформирование.

5. Рекомендовано изготовление КСПЭ из проволоки 2,5 мм для получения предельно допустимых генерируемых сил в 1 400 Н. Формоизменение таких силовых приводов в мартенситном состоянии, при котором были получены эти высокие показатели, требует приложения начальной силы в 675 Н.

4 ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ КОЛЬЦЕВЫХ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Влияние скорости нагрева было экспериментально исследовано для спиральных приводов и КСПЭ. При этом влияние смены температурного режима подготовки КСПЭ в состоянии пластичности превращения на изменение деформационно-силовых характеристик не исследовалось. Как показано в разделе 2, формоизменение КСПЭ с использованием пластичности превращения позволяет снижать силу, затрачиваемую на их деформирование. Проведен анализ температурных полей, эволюция которых изучены при моделировании условий охлаждения с разной скоростью в рамках математической модели механизма остаточных напряжений материалов с ЭПФ [126, 127]. Решение задачи позволило качественно определить объем материала, претерпевающего состояние пластичности превращения в интервале температур прямого мартенситного превращения. Проведены экспериментальные исследования деформационных параметров КСПЭ и КСЛЭ при охлаждении с разной скоростью под нагрузкой.

4.1 Методика расчета температурных полей в рамках математической модели механизма остаточных напряжений материалов с эффектом

памяти формы

Для расчетов выбрано уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах и для плоского случая:

С

д2и 1 ди

\

дт2 г дг )

(4.1)

(4.2)

где р - плотность материала, с(и) - теплоемкость, и - температура, t - время, к - коэффициент теплопроводности, г - радиальная координата, г - вертикальная координата. В однофазном состоянии материала с(Ц) = с0 - постоянная величина. Учитывая результаты калориметрических исследований никелида титана, в численном опыте величины теплоемкости в мартенситном и аустенитном состояниях принимались равными. Зависимость теплоемкости от температуры в интервале температур прямого мартенситного превращения аппроксимирована квадратичной функцией:

(и - мч) • (м - и)

с(и) = с—--- + с0, (4 3)

1 7 1 (мг - м )2 0 (4)

где М3 - температура начала фазового перехода, М/ - температура окончания превращения. Коэффициент с1 определяется из уравнения:

м

/

с (и - М,) • (М - и) О = Г С --- \--с1и, (4.4)

° М/ (М/ - М )2 ' ( )

где Qtг - скрытая теплота превращения.

При расчете выбраны физические параметры никелида титана, близкие к эквиатомному составу сплава. В рамках математической модели механизма остаточных напряжений ЭПФ рассчитана эволюция температуры в сечении сортамента при охлаждении его в изотермических условиях, когда температура поверхности равна температуре нижней границы превращения М/ и при температуре на 5 градусов ниже Мр

На рисунке 4.1.1 показано распределение двухфазного состояния по сечению пластины при охлаждении от 403 К с постоянной скоростью. Распределение гетерофазной структуры в материале распространяется на весь объем материала в процессе прямого мартенситного превращения. При мгновенном охлаждении поверхности пластины до температуры М8 расчеты показали аналогичное поведение распространения двухфазного состояния. Однако время процесса сократилось на 800 с. Охлаждение поверхности пластины до температур внутри интервала [М3, М/] сохранило характер

эволюции гетерофазного состояния, но сократилось время его нахождения в объеме материала. Подобные процессы получили при расчете эволюции температур в цилиндрах из сплавов с ЭПФ. Исходя из этого, дальнейшие расчеты проводились при мгновенном охлаждении поверхности до температур Мг и (М - 5) К.

Рисунок 4.1.1 - Эволюция зоны прямого мартенситного превращения в пластине с полутолщиной 2т = 1 мм с течением времени при охлаждении от

403 К с постоянной скоростью

4.2 Анализ температурных полей в цилиндрах и пластинах из никелида

титана при охлаждении

На рисунках 4.2.1 и 4.2.2 приведены кривые, демонстрирующие эволюцию температурных полей на старте охлаждения при температурах поверхности и5иг/=М/- 5 К (а) и и5и/=М/ (б). При переохлаждении поверхности цилиндра или пластины гетерофазное состояние охватывает объем материала не полностью. Прямое мартенситное превращение при понижении

температуры до М/ - 5 К (на ~ 95 К) начинается в приповерхностных слоях (рисунок 4.2.3, а и рисунок 4.2.4, а). При этом внутренний объем материала находится в аустенитной фазе (90 %), а на поверхности состояние никелида титана уже перешло в мартенситное (рисунок 4.2.1, а, кривая 111,7 и рисунок 4.2.2, а, кривая 111,7). Затем гетерофазное состояние распространяется к центру сечений цилиндра и пластины, находившихся в аустените. Одновременно с этим зона материала, претерпевающего мартенситное превращение, становится шире. Охлаждение поверхности на 5 К ниже М/ приводит к тому, что преобразование материала из аустенитного состояния в мартенситное завершается значительно быстрее, чем при снижении температуры до М/ (рисунок 4.2.3 и рисунок 4.2.4).

Эволюция температурного поля при охлаждении до М/ движется от центра к поверхности более плавно (рисунок 4.2.1, б и рисунок 4.2.2, б). Это приводит к тому, что двухфазное состояние распространяется на весь объем конструкции (рисунок 4.2.3, б и рисунок 4.2.4, б). При этом одновременно гетерофазная структура в полном объеме материала существует в цилиндре в два раза продолжительнее, чем в пластине. Трансформация кристаллической решетки при этом длится в 1,5-2 раза дольше, чем при первом режиме охлаждения.

Таким образом, при охлаждении поверхности изделия до температуры на 5 К ниже М/ часть материала в объеме обеих конструкции оказывается вне состояния пластичности превращения, что препятствует деформационным процессам, подчиняющимся законам скоростной ползучести.

Проведен анализ изменения скорости охлаждения в центральной области цилиндра и пластины (рисунок 4.2.5, кривая 1 и рисунок 4.2.6, кривая 1) и в приповерхностном слое (рисунок 4.2.5, кривая 2 и рисунок 4.2.6, кривая 2). Как видно из кривых, скорость падения температуры меняется немонотонно при перестроении кристаллической решетки материала Т№. Охлаждение поверхности цилиндра на 5 К ниже М/ во внутренней части материала может вызвать рост и/£ до ~ 27 К/с (рисунок 4.2.5, а, кривая 1). Перед этим значение

величины U/t снижалось от ~ 300 К/с до ~ 11 К/с. Во втором случае параметр U/t уменьшается плавно (рисунок 4.2.5, б, кривая 1).

385

365 Ь" 345 325 305

"♦"111,7 s -■-111,8 s

112.3 s 112.4 s

f ^ :"'х к

М,

Mf

0,2 0,4 0,6 0,8

/", mm

а

385

365

345

325

305

-•-Iii,"7s ♦III, 8s

-»-112,5 s -*-113,5 s

> * А i Й j 1 Я Я ■'■Я...-g

..... —.............—... t A ATIH

М

М,

0

0,2

0,4 0,6

г, mm

б

0,8

Рисунок 4.2.1 - Эволюция температурного поля при прямом мартенситном превращении в цилиндре гт = 1 мм при мгновенном изменении температуры поверхности от 403 К до М/ - 5 К (а), до М/ (б)

405 385 365 345 325 305

11,7 в -■-113,1 з

-*~113,3 э -х-113,5 з

405 385 365 345 325 305

0,2

0,4 0,6

2, 111111

а

О

0,2

0,4 0,6

г, тт

б

И Нг

0,8

-♦-11 1,7 Б -■-113,4 в

-*-113,7 э -»<-114,9 б

1' Ш Я ■ 1 |"||"У|1 ■■■■■■■■■ ■ ■ ■

;< к х х х )

М.

щ

0,8

Рисунок 4.2.2 - Эволюция температурного поля при прямом мартенситном превращении в пластине с полутолщиной 2т = 1 мм при мгновенном изменении температуры поверхности от 403 К до М/ - 5 К (а), до М/ (б)

111,5 112 112,5 113 113,5

Г, Б

а

111,5 112 112,5 113 113,5

I, э

б

Рисунок 4.2.3 - Эволюция зоны прямого мартенситного превращения в

цилиндре гт = 1 мм с течением времени при мгновенном изменении температуры поверхности от 403 К до М/ - 5 К (а), до М/ (б): 1 - граница температур начала прямого превращения, 2 - граница температур окончания

прямого превращения

1

0,8

д 0,6 £

N 04 0,2 0

111,5

а

1—

Л V ** \

1 \

\ \

114,5 115

112 112,5 113 113,5 114 б

Рисунок 4.2.4 - Эволюция зоны прямого мартенситного превращения в пластине с полутолщиной 2т = 1 мм с течением времени при мгновенном изменении температуры поверхности от 403 К до М/ - 5 К (а), до М/ (б): 1 -граница температур начала прямого превращения, 2 - граница температур

окончания прямого превращения

Данные расчетов в пластине иллюстрируют, что резкое изменение температуры поверхности повышает темп охлаждения во внутренних областях материала пластины до ~ 73 К/с (рисунок 4.2.6, кривые 1). В приповерхностных

слоях скорость остывания плавно опускается от 32 К/с и 23 К/с, соответственно (рисунок 4.2.6, кривые 2). Отметим в пластине ступенчатый характер скорости снижения температуры (рисунок 4.2.6, кривые 2). Во внутреннем слое материала опять наблюдается осциллирующий режим остывания (рисунок 4.2.6, кривые 1). Первый скачок для обоих случаев охлаждения начинается на 111,7 с в начале интервала температур прямого мартенситного превращения. Скорость охлаждения при этом возрастает до ~ 106 К/с к 111,9 с. Дальнейшее падение скорости во временном интервале от 111,9 с до 113 с было линейным и конечное ее значение на этом участке составило 15 К/с (рисунок 4.2.6, а, кривая 1). Второй скачок продолжался с интервалом 0,4 с повышением темпа остывания внутренней области до 26 К/с. После чего значения U/t плавно снижались. Показатели скорости охлаждения при условии снижения температуры поверхности никелида титана до Mf достигли 10 К/с (рисунок 4.2.6, б, кривая 1). В промежутке от 113,2 с до 113,7 с наблюдали следующее колебание величины U/t. Максимум на этом отрезке составил 15,4 К/с.

Расчеты показывают, что в результате мгновенного скачка температуры на поверхности материала до Usurf = Mf - 5 К фазовый переход осуществляется в более короткий срок (рисунок 4.2.3, а и рисунок 4.2.4, а), чем при изменении температуры до Usurf=Mf (рисунок 4.2.3, б и рисунок 4.2.4, б). Это может стать фактором снижения деформационных параметров КСПЭ и КСЛЭ, протекающих в интервале прямого мартенситного превращения при подготовке к работе в состоянии пластичности превращения [128-134].

При этом в цилиндрах материал при прямом мартенситном переходе имеет гетерофазное состояние более чем в 2 раза превышающее продолжительность в пластинах. Это определяет рациональный выбор сортамента для изготовления кольцевых силовых элементов. Расчет температурных полей в сечении материала с ЭПФ, выбранного для изготовления силовых элементов, может быть использован в разработке технологических операций для прогноза деформационных свойств, зависящих от температуры.

120

100

80

ей

£ 60

5

40

20

0

1

2 —..........- ■

111,7 111,9 112,1 112,3

Б

а

112,5

112,7

б

Рисунок 4.2.5 - Скорость изменения температур П^ в цилиндре г = 1 мм в интервале прямого мартенситного превращения в при мгновенном изменении температуры поверхности от 403 К до М/ - 5 К (а), до М/ (б): 1 - в центральной

области, 2 - в приповерхностном слое

100

<Л

3

80

60

40

20

0

\.................1

1

2 —■- *--■— —■ —■ -■—

120

100

80

сл

г- 60

5

40

20

0

111,7 112 112,3 112,6 112,9 113,2 113,5

8

а

1

2

111,7 112,2 112,7

113,2 и ъ

113,7 114,2 114,7

б

Рисунок 4.2.6 - Скорость изменения температур П^ в пластине с полутолщиной г = 1 мм в интервале прямого мартенситного превращения при мгновенном изменении температуры поверхности от 403 К до М/ - 5 К (а), до М/ (б): 1 - в центральной области, 2 - в приповерхностном слое

4.3 Пластичность превращения в кольцевых силовых пучковых элементах 4.3.1 Описание эксперимента и материалов

Зависимость деформационных эффектов пластичности превращения от изменения режимов охлаждения изучали на кольцевом силовом элементе из сплава Т№ 55,33 ат. % из двухмиллиметровой проволоки. Кольцо состояло из одного витка и имело форму вытянутого овала с длиной 73 мм. Образец подвергся отжигу при 773 К в течение 20 мин. Затем был подвергнут трехкратному термоциклированию с переводом материала из полностью мартенситного состояния в аустенитное и обратно для стабилизации температур мартенситного превращения.

Деформационные процессы в зависимости от скорости охлаждения изучали с помощью пружинного динамометра (рисунок 4.3.1). Овал силового элемента нагревали в ненагруженном положении до температуры 403 К (рисунок 4.3.1, 1), при которой материал кольца находился в аустенитном состоянии. Затем образец приводили в силовое взаимодействие с растянутой пружиной с ^о = 6,4 Н (рисунок 4.3.1, 2). В процессе охлаждения наблюдали за смещением контрольной точки Ь. Формоизменение кольца рассчитывали как А = - й\ (рисунок 4.3.1, 3). Овальное кольцо вытягивалось вдоль линии действия нагрузки. Смещение контрольной точки представлено для четырех режимов охлаждения:

1. вместе с термостатом;

2. изотермическое - 299 К;

3. изотермическое - 279 К;

4. изотермическое - 271 К.

При комнатной температуре материал находился в полностью мартенситном состоянии.

2) X

3)

d(t) ^у

Рисунок 4.3.1 - Схема нагружения силовых элементов: 1 - исходное состояние

КСПЭ с размером d1, 2 - после нагружения в аустенитном состоянии, 3 - образец после деформации пластичности превращения с размером d(t)

4.3.2 Деформационные процессы в кольцевых силовых пучковых

элементах

При остывании образца с термостатом (рисунок 4.3.2, кривая 1) формоизменение началось на ~ 100 мин при 320 К. Длился этот процесс около 200 мин до температуры 300 К. Скорость остывания кольца на этом этапе составила ~ 0,1 К/мин. Величина d1 возросла на А = 7,3 мм. В отличие от нагрева, когда d1 в результате ЭПФ уменьшается, в данной ситуации идет рост величины этого геометрического параметра. Вместе с этим силовое воздействие F(t) = F0 - К^А (где жесткость пружины K2 = 0,6 Н/мм) уменьшилось до 2,2 Н.

Второй режим охлаждения - остывание извлеченного из разогретого термостата динамометра с силовым элементом при комнатной температуре (~ 299 К). В этом случае формоизменение овала наблюдалось уже через 8 мин.

Изменение й\ закончилось через ~ 60 мин. Сила взаимодействия с упругим контртелом уменьшилась до ~ 2,75 Н. Окончательное изменение диаметра овала составило 6,5 мм (рисунок 4.3.2, кривая 2).

Рисунок 4.3.2 - Временная зависимость формоизменения овала при режимах охлаждения: 1 - вместе с термостатом, 2 - при 299 К, 3 - при 279 К,

4 - при 271 К

Ещё меньше формоизменение силового элемента при охлаждении в холодильной камере. При температуре ~ 279 К изменение й1 началось через 4 мин. Длились деформационные процессы в течение ~ 15 мин. Силовое взаимодействие снизилось до 3,4 Н, а й1 увеличился на 5 мм (рисунок 4.3.2, кривая 3).

При температуре холодильной камеры в 271 К удлинение овала начиналось через 3 мин и заканчивалось через 10 мин (рисунок 4.3.2, кривая 4). В четвертом режиме охлаждения диаметр вырос лишь на 3,5 мм, при том что нагрузка на силовой элемент в результате охлаждения составляла ~ 4,4 Н -максимум для всех режимов охлаждения. Во всех четырех экспериментах во время нагрева начальные геометрические характеристики КСПЭ восстанавливались полностью.

Таким образом, при охлаждении под нагрузкой повышение скорости изменения температуры в процессе прямого мартенситного превращения понижает деформационные возможности исследуемых образцов.

Представленные результаты исследования показали необходимость учёта температурных условий работы оборудования, действующего на основе ЭПФ.

4.4 Пластичность превращения в кольцевых силовых ленточных

элементах

4.4.1 Описание эксперимента и материалов

Конструкция испытываемой пары КСЛЭ из сплава Т№ 49,9 ат. % описана в пункте 3.1.1. КСЛЭ в свободном состоянии имеют внутренний диаметр ^ = 64 мм.

Деформационные свойства КСЛЭ изучали с помощью динамометра «ЛИНД» (рисунок 2.1.3). Образцы устанавливали в динамометр и нагревали до температуры 413 К в камере термостата в ненагруженном состоянии. В качестве термостата использовали сушильный шкаф. КСЛЭ из сплава Т№ 49,9 ат. % при 413 К находится в аустенитном состоянии. В этих условиях кольцевые образцы приводили к силовому взаимодействию с контртелом, которым служила спиральная пружина. Во всех опытах начальная величина силы равнялась ~ 850 Н. Затем проводили охлаждение силовых элементов вместе с динамометром. Следили за формоизменением КСЛЭ. В качестве параметра формоизменения КСЛЭ была выбрана величина А = - где ^ -начальное расстояние между точками закрепления образцов, а ) - его текущее значение. С приближением температуры силовых элементов к температурному интервалу прямого превращения было отмечено начало формоизменения. Овальные кольца вытягивались вдоль направления действия силы. Были проведены три эксперимента с разными режимами охлаждения

(рисунок 4.4.1). В первом случае охлаждение проводили в холодильной камере с температурой 273 К (рисунок 4.4.1, 1). Второй режим представлял собой охлаждение силовых элементов с динамометром в условиях комнатной температуры (рисунок 4.4.1, 2). В третьем эксперименте следили за изменением А в процессе остывания термостата (рисунок 4.4.1, 3).

410

390 370 ^ 350 ^ 330 310 290 270

0 100 200 300 400 500

t, min

Рисунок 4.4.1 - Временная зависимость изменения температуры T при режимах охлаждения: 1 - 273 К; 2 -299 К, 3 - вместе с термостатом

4.4.2 Деформационные процессы в кольцевых силовых ленточных

элементах

Развитие формоизменения в 3 -х экспериментах сопровождалось различными скоростями деформационных процессов. При охлаждении в холодильной камере с температурой 273 К получена максимальная скорость

3 _

изменения А ~ 3,510- мм/с (рисунок 4.4.2, кривая 1). При остывании в изотермических условиях комнатной температуры скорость изменения А снизилась до Ы0- мм/с (рисунок 4.4.2, кривая 2). Однако конечная величина

параметра формоизменения возросла до 4,8 мм, что на 0,6 мм больше итогового значения А в первом опыте. Еще медленнее изменялся А при остывании образцов силовых элементов с термостатом. В этом случае значение скорости изменения деформационной характеристики стало равным 4,3-10"4 мм/с (рисунок 4.4.2, кривая 3). При этом величина А достигла 5,2 мм. Нагрев образцов во всех случаях приводил к восстановлению первоначальной формы.

Рисунок 4.4.2 - Временная зависимость формоизменения КСЛЭ А в результате пластичности превращения при режимах охлаждения: 1 - 273 К; 2 -299 К, 3 -

вместе с термостатом

Однако преимущество в формоизменении ленточных силовых элементов за счет снижения скорости охлаждения существенно меньше эффектов, полученных на кольцевых образцах из проволоки. Причиной этого может быть повышенная скорость охлаждения материала на краях полосы (это не учитывали в численном эксперименте).

Таким образом, необходимо учитывать скорость изменения температуры при подготовке кольцевых силовых элементов к работе. Достижение требуемых усилий для обеспечения качества технологического процесса изготовления

слоистых антивибрационных материалов будет реализовано выбором рациональной скорости при предварительном деформировании КСПЭ. Уменьшение показателей формоизменений КСПЭ в результате охлаждения с большей скоростью изменения температуры связано со снижением объема материала, находящегося в гетерофазном состоянии при реализации пластичности превращения.

Выводы

1. Дана качественная оценка области гетерофазного состояния при протекании прямого мартенситного превращения в сечении конструкции, соответствующем профилю кольцевых силовых элементов из материала с ЭПФ, по результатам расчета температурных полей. Расчеты проводились с использованием уравнения теплопроводности математической модели механизма остаточных напряжений материалов с ЭПФ.

2. Показано существенное влияние выбора температурного режима подготовки к работе материала силовых элементов в состоянии пластичности превращения.

3. Методика расчетов позволяет выбрать рациональный режим подготовки силовых элементов к работе в технологической операции. Стоит отметить, что при охлаждении поверхности до температуры М гетерофазное состояние во временном интервале распространяется на весь объем материала.

4. Определено понижение деформационных характеристик исследуемых образцов при повышении скорости изменения температуры в процессе прямого мартенситного превращения.

5. Определено значительное снижение объема материала в гетерофазном состоянии при быстром охлаждении. При медленном же охлаждении это условие распространяется на весь объем материала.

6. Выявлена необходимость учёта технологических условий функционирования создаваемых конструкций из никелида титана, связанных с температурными режимами работы оборудования.

5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1 Апробация выбора рациональных температурных режимов работы оборудования в технологическом процессе

Результаты исследования были апробированы в технологических условиях на предприятии ООО «ОПТИМИКСТ ЛТД» при подготовке КСПЭ к работе в операции спекания изделий из композитных материалов. Такие слоистые материалы являются заготовками для изготовления средств защиты от вибрации. При этом качество прилегания по периметру соприкосновения соединяемых материалов должно быть 100 % для избежания отрыва защитного слоя и попадания его в зону обработки во время работы с ручным инструментом. Для контроля параметра качества выпускаемых деталей методом визуального осмотра использовали образец-эталон.

В контрольном эксперименте использовали пару КСПЭ из сплава Т№ 50,45 ат. %. Подготовку к работе проводили при минимальной температуре термоциклирования в 271 К. Для подготовки элементов оборудования КСПЭ к технологической операции использовали разработанный способ термосилового воздействия. КСПЭ термоциклировали таким образом, чтобы продеформировать на максимальное формоизменение в контрольном опыте. Поскольку в экспериментах удалось осуществить деформирование КСПЭ на ~ 14 мм, то в технологическом опыте повышение расстояния между захватами установки «ШеР» проводили за счет увеличения пакета заготовок на 20 %.

Технологическую установку с заготовками помещали в камеру сушильного шкафа с температурой 403 К на 120 мин. После выдержки в горячем состоянии КСПЭ полностью вернули форму окружности.

Контроль качества полученных слоистых материалов осуществляли после полного остывания установки до комнатной температуры. При визуальном

контроле каждого изделия на соответствие образцу-эталону дефектов и несплошностей в слое не обнаружено.

1300 1100 £ 900 ^ 700 500 300

0 30 60 90 120 150

t, min

Рисунок 5.1.1 - Временная зависимость усилия, создаваемого КСПЭ после подготовки к работе при минимальной температуре теплосмен в 271 К Таким образом, внедрение способа термосилового воздействия на КСПЭ в технологический процесс изготовления слоистых композиций позволило повысить объем загрузки печи в 2,4 раза по сравнению с первым результатом (рисунок 1.1.3).

5.2 Рекомендации для конструкторов и технологов

5.2.1 Рекомендации по выбору температурного режима работы

Для повышения эффективности работы технологического оборудования, действующего на эффекте памяти формы, необходимо использовать разработанный способ термосилового воздействия на КСПЭ.

1) Осуществление работы КСПЭ при температуре их начального деформирования в 299 К:

а) для получения генерируемого усилия от 315 Н до 1020 Н и реализации формоизменения ЭПФ в пределах от 1 мм до 2 мм необходимо термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,35 ат. % с повышением начального усилия от 215 Н до 820 Н;

б) для реализации силы в 420 - 980 Н и формоизменения ЭПФ в пределах от 2,5 мм до 5 мм необходимо использовать термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,45 ат. % с начальным силовым контактом с контртелом от 180 Н до 500 Н; усилие в 995 Н - 1055 Н и деформационный параметр ЭПФ в 4 мм получать при повышенных предварительных нагрузках от 600 Н до 650 Н.

2) Применение КСПЭ при минимальной температуре термоциклирования в 279 К:

а) для обеспечения генерации силы от 340 Н до 1270 Н и деформационной характеристики от 2,6 мм до 5,3 мм необходимо термоциклировать КСПЭ из сплава Т1№ 50,35 ат. % при начальном сопротивлении контртела от 80 Н до 740 Н;

б) для достижения усилий в 755 - 1030 Н и максимального параметра Дтах в 5 мм необходимо проводить термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,45 ат. % при начальных нагрузках от 210 Н до 510 Н.

3) Выполнение работы КСПЭ при температуре 271 К:

а) для обеспечения Етах от 240 Н до 920 Н и Дтах в интервале от 1,5 мм до 5 мм необходимо термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,35 ат. % при начальной силе от 90 Н до 420 Н;

б) для достижения силы от 425 Н до 570 Н и максимального параметра Д в 4,3 мм необходимо проводить термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,45 ат. % при нагрузках от 80 Н до 140 Н;

в) для достижения усилия в 1020 Н и максимального параметра Д в 7,5 мм необходимо проводить термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,45 ат. % при нагрузках от 150 Н до 270 Н;

г) для достижения генерируемой силы в 1200 Н и максимального параметра Д ~ 8 мм необходимо проводить термоциклирование КСПЭ из сплава Т1№ 50,45 ат. % при нагрузках от 290 Н до 420 Н.

5.2.2 Рекомендации по выбору геометрических параметров элементов технологического оборудования

1) Рекомендации по работе с 24-витковыми КСПЭ из проволоки диаметром 1 мм:

для достижения генерируемых усилий ~ 1000 Н и смещения в результате ЭПФ в 3,6 мм необходимо 13-кратное термоциклирование с ростом Е0 от 100 Н до 630 Н. Для повышения силы Етах до 1250 Н рекомендуется проводить дополнительное 3-кратное термоциклирование с увеличением Е0 до 880 Н.