Усовершенствование методики проектирования прессового оборудования и технологии изготовления электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Семенова, Людмила Михайловна

• Семенова, Людмила Михайловна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семенова, Людмила Михайловна

Введение.

Глава 1. Основные направления совершенствования элементов технологического оборудования и процессов изготовления многокомпонентных композиционных материалов на основе металлических порошков.

1.1. Основные направления и методы исследования процессов порошковой металлургии.

1.2. Технология Г1М, маркировка, свойства металлических порошков и методы их контроля.

1.3. Анализ особенностей деформационных связей композиционных материалов.

1.4. Применяемое оборудование.

Расчет элементов оборудования для компактирования, обработки давлением, спекания и нагрева композитов из скомпактированных и спеченных заготовок.

Глава 2. Экспериментальные исследования технологических процессов обработки металлических порошков и оборудования.

2.1. Оборудование, инструменты, материалы для изучения процессов компактирования и прессования.

2.1.1. Оборудование для проведения экспериментов.

2.1.2. Измерительные инструменты.

2.2. Экспериментальные исследования силовых и тепловых нагрузок на технологический инструмент и оборудование при компактировании и прессовании.

2.3. Исследование процесса компактирования трехкомпонентных металлических заготовок.

2.4. Исследование трехкомпонентных композиционных металлических заготовок при спекании

2.5. Экспериментальные исследования процесса прессования скомпактированных и спеченных трехкомпонентных металлических заготовок.

2.5.1. Экспериментальные исследования процесса прямого прессования скомпактированных и спеченных заготовок из композита «железо-медь-цинк».

2.5.2. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования заготовок из композита «железо-медь-никель».

2.5.3. Экспериментальные исследования процесса обратного прессования скомпактированных и спеченных заготовок из композита с содержанием Fe — 70%, Си — 20%, Ni— 10 %.

2.5.4. Исследования процесса прямого прессования заготовок из композита «железо-медь-цинк» по микроструктуре.

2.6. Выводы по экспериментальным исследованиям.

Глава 3. Совершенствование проектирования технологического оборудования для компактирования, прессования порошковых материалов и технологии изготовления электроконтактов.

3.1. Усовершенствование технологии производства электроконтактных изделий.

Удельное электросопротивление.

3.2. Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков.

3.3. Расчет электроконтактов на прочность.

3.3.1. Определение термических напряжений, возникающих в электроконтактах при эксплуатации.

3.3.2. Композит «железо-медь-никель».

3.3.3. Композит «железо-медь—цинк».

3.3.4. Исследование термических напряжений электроконтактов при эксплуатации.

3.4. Динамическая прочность инструмента при обработке давлением двух- и трехкомпонентных заготовок из металлических порошков.

3.5. Выводы по проектированию оборудования и усовершенствованию технологии изготовления электрических контактов из композиционных материалов

Глава 4. Теоретические исследования силовых и деформационных параметров при компактировании и прессовании многокомпонентных заготовок из металлических порошков для электроконтактных изделий.

4.1. Исследование физико-механических свойств трехкомпонентного композита «железо-медь-цинк».

4.2. Исследование физико-механических свойств композита «железо-медь—никель».

4.3. Прочностные и пластические свойства многокомпонентных порошковых скомпактированных и спеченных металлических материалов.

4.4. Технологические параметры при обратном прессовании круглых трубных заготовок из многокомпонентных композитов.

4.5. Выводы по проведенным теоретическим исследованиям силовых и деформационных параметров многокомпонентных металлических композитов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Усовершенствование методики проектирования прессового оборудования и технологии изготовления электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков»

Прогресс в высокотехнологических отраслях промышленности не возможен без применения новых конструкционных материалов. В этом отношении порошковая металлургия обладает рядом перспективных направлений, позволяющих получить в одном материале заданные физико-механические свойства при иногда противоположных параметрах. Например, железные порошки обладают высокой прочностью и твердостью. Наоборот, медные порошки в меньшей мере обладают прочностью и в большей — пластичностью, довольно высокими показателями теплопроводности и электропроводности. Композит «железо-медь» позволяет в одном материале синтезировать высокую прочность, пластичность и теплофизические параметры.

Нередко для оборудования требуются детали и изделия высокой долговечности, износоустойчивости, коррозионной стойкости и тогда большое внимание уделяется порошкам хрома, никеля. Невозможность получения сплавов с высоким содержанием указанных элементов традиционными способами вынуждает обращаться к методам порошковой металлургии.

Отечественная и зарубежная техническая литература недостаточное внимание уделяет развитию как технологических процессов получения новых многокомпонентных материалов, так и совершенствованию методов проектирования и созданию оборудования для получения указанных материалов.

Целью проводимой работы является оптимизация методов проектирования технологического оборудования и инструмента, а также разработки технологических режимов получения трехкомпонентных композиционных материалов из металлических порошков для изготовления изделия электрохимической и спецгехники, отличающихся повышенной прочностью, пластичностью и износостойкостью.

Данной задаче отвечает долгосрочный прогноз научно-технологического развития РФ в перспективе развития металлургической отрасли нашей страны на 2015 — 2025 гг. [1, 2]. Прогноз предполагает принципиально новый технологический подход, включающий, в том числе процессы производства продукции из многокомпонентных материалов и композитов в рамках единой технологической схемы. Одним из основных направлений развития и совершенствования области металлургии является повышение эффективности технологической модернизации за счет развития порошковой металлургии (использование вторсырья, функция формообразования и обработки металла).

В этом отношении мировое производство металлических порошков и соответствующей продукции с каждым годом растет. Прогнозируемый средний темп прироста составляет порядка 6 — 8 % за год. За период с 1994 по 2005 гг. рост мирового объема продаж продукции из металлических порошков составил порядка 50 % и достиг 7 млрд. долл. США [3].

Долгосрочный прогноз развития порошковой металлургии еще раз подчеркивает ее роль в модернизации производства. В связи с этим в данной работе ставятся задачи дальнейшего совершенствования технологического оборудования и технологических процессов получения композиционных материалов из двух— и трехкомпонентных порошков, обладающих заданными стабильными физико-механическими свойствами по всему объему и необходимой плотностью для производства электротехнических изделий.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Анализ существующих решений в отечественной и зарубежной практике технических решений, направленных на совершенствование оборудования и технологии получения электротехнических изделий из двух- и трехкомпонентных композиционных материалов.

2. Исследование деформационных, кинематических и силовых параметров процессов компактирования трехкомпонентных композиционных материалов.

3. Совершенствование и разработка аналитических зависимостей для определения деформационных, силовых, физических и кинематических параметров при процессах формообразования - прессования, выдавливания и других изделий из трехкомпонентных композиционных порошковых материалов.

4. Уточнение методов проектирования технологического оборудования, используемого для производства электроконтактных изделий из композиционных двух— и трехкомпонентных материалов.

5. Совершенствование технологических процессов получения многокомпонентных композитов из металлических порошков.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Семенова, Людмила Михайловна

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Проведен комплекс экспериментальных исследований деформационных и силовых параметров, необходимых для проектирования оборудования и технологического процесса при производстве электроконтактных изделий из трехкомпонентных металлических композитов с целью повышения качества, увеличения срока эксплуатации продукции и снижения нагрузки на рабочие узлы прессов и инструмент за счет введения третьим компонентом порошков цинка или никеля, которые способствуют повышению износо- и коррозионной стойкости, уменьшению контактного трения на 10 — 15 %.

2. Разработаны и экспериментально проверены теоретические зависимости распределения температурного поля в технологическом инструменте при процессах компактирования и прессования электроконтактов из композитов «железо-медь-никель» и «железо-медь-цинк», которые позволили усовершенствовать методику расчета термических напряжений.

3. Установлены теоретические зависимости контактных и термических напряжений, возникающих в рабочих узлах и инструменте оборудования при горячих процессах деформирования спеченных заготовок из трехкомпонентных металлических порошков, которые обеспечивают необходимую прочность для предложенных в диссертационной работе предельных усталостных и циклических нагрузок.

4. Разработана и экспериментально проверена теория динамических напряжений, возникающих в технологическом инструменте вследствие уменьшения пористости, роста и сброса нагрузок при операциях компактирования и прессования контактных изделий из трехкомпонентных металлических порошков с целью определения реального коэффициента динамичности при исследуемых процессах, что позволяет повысить надежность работы оборудования и его долговечность на 10-15 %.

5. Отработана методика выбора технологического режима за счет оптимального подбора величины вытяжки, относительных обжатий (до 30 %) и давлений для обеспечения заданной плотности трехкомпонентных композитов (до 93-95 %), снижения удельного электросопротивления (на 10—15 %), а также повышения износостойкости электроконтактных изделий.

6. Предложена и экспериментально проверена физическая композиционная модель для расчета сопротивления пластической деформации, плотности и удельного электросопротивления, модуля упругости, коэффициента линейного расширения трехкомпонентных композитов «железо-медь-^шкель» и «железо-медь-лцнк» в зависимости от состава и концентрации металлических компонентов, величины д авления при компакшровании и прессовании, что повышает точность расчета на применяемой модели смеси на20-30 %.

7. Предложена технологическая методика, позволяющая с последующей экспериментальной корректировкой осуществить выбор состава и концентрации металлических порошков с целью получения заданных физико-механических (электро-, теплотехнических и прочностных) свойств, равномерно распределенных по всему объему трехкомпонентных металлических заготовок.

8. Предложенная технология получения электроконтактных изделий из композитов «железо-медь-цинк» и «железа-медь-никель» прошла опытное внедрение на ОАО «Авиапромналадка» и ООО «Наномет» (г. Йошкар-Ола).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технологический прогресс, инновации в производстве требуют усовершенствования оборудования и инструментов, технологических режимов производства, внедрения новых технологий и разработки новых материалов в порошковой металлургии. Данная отрасль промышленности является перспективной, так как только этому виду производства доступно получение материалов (изделий), которые обладают целым комплексом необходимых и иногда противоречивых свойств и характеристик.

Важность развития отрасли порошковой металлургии [1, 2] позволяет говорить о своевременности, актуальности и значимости проведенных теоретических исследований и экспериментов, направленных на усовершенствование технологического оборудования и процессов получения электроконтактных изделий из двух—, трех— и многокомпонентных металлических порошков с необходимыми физико-механическими характеристиками, а разработанные методики и расчетные методы по оборудованию, технологии, производству изделий решают поставленные в диссертационной работе цели и задачи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семенова, Людмила Михайловна, 2010 год

1. Федеральный портал о городах России. Документы. Долгосрочный прогноз научно-технологического развития РФ до 2025 г. web-сайт. <http://protovm.ru/information/doc/4295.html>.

2. Федеральный портал о городах России. Документы. Перспективы развития российской металлургии, web-сайт. <http://protown.ru/information/hide/4487.html>.

3. Законодательство Белоруссии. Государственная программа развития ПМ Беларусии 2006-2010 г., web-сайт.http://www.lawbelarus.com/repub2008/sub30/text30141/index.htm>.

4. Александров С. Е., Пирумов А. Р., Чесникова О. В. Особенности пластического течения пористых материалов в зоне фрикционного контакта // Порошковая металлургия. — Киев: Институт проблем материаловедения им. И. 1-1. Францевича, 2008г. N 9-10. С. 13 - 20.

5. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов /В. Н. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин и др. — М., Металлургия, 1987.-792 с. '

6. Мидуков В. В., Рудъ В. Д. Экспериментальная проверка гипотез пластичности пористых металлов. Реологические модели и процессы деформирования пористых порошковых и композитных материалов. — Киев: Наукова думка, 1985. -С. 61- 67.

7. Григорьев А. А., Рудской А. И. Пластическая деформация пористых материалов. Л.: ЛДНТП, 1989. - 28 с.

8. Лукашкин Н: Д., Кохан Л. С., Роберов И. Г. Теория компактирования металлических порошковых материалов. — М. ВИНИТИ, 2004. 235 с.

9. Лукашкин Н. Д., Кохан Л. С., Роберов И. Г. Теория обработки давлением скомпактированных спеченных металлических порошков. — М. ВИНИТИ, 2005. -315 с.

10. Дьяченко И. М. Эффективность развития порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1979. — 52 с.

11. Айзенкольб Ф. Успехи порошковой металлургии/ пер. с нем., под ред. В. П. Елютина. — М.: Металлургия, 1969. — 540 с.

12. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы/ Под ред. В. Шатта. Пер. с нем. — М., Металлургия, 1983. — 520 с.

13. Ермаков С. С., Вязников Н. Ф. Порошковые стали и изделия. — Л.: Машиностроение. Ленинград, отд., 1990. — 319 с.

14. Раковский В. С., Саклинский В. В. Порошковая металлургия в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1973. — 126 с.

15. Федорченко И. М., Андриевский Р. А. Основы порошковой металлургии. К.: АН УССР, 1963. - 420 с.

16. Балыиин М. Ю., Кипарисов С. С. Основы порошковой металлургии. — М.: Металлургия,. 1978. — 184 с.

17. Либенсон Г. А. Производство порошковых изделий. — М.: Металлургия, 1990.-240 с.

18. Грин Р. Дж. Теория пластичности пористых тел // Механика. — М., 1973, №4.-С. 109-120.

19. Shima S. А., Doctoral thesis. Kyoto: Kyoto University, 1975. - 200 p.

20. Shima S., Oyane M. Plasticity theory for porous metal// International Journal of Mechanical Sciences. 1976, V. 18, № 6. - P. 285-291.

21. Эшби M., Джоне Д. Конструкционные материалы. Полный курс, пер. с англ. — Долгопрудный: Интеллект, 2010. — 672 с.

22. Хилл Р. Математическая теория пластичности. — М.: Гостехиздат, 1956.-408 с.

23. Металлические порошки и порошковые материалы: Справочник/ Бабич Б. Н., Вершинина Е. В., Глебов В. А. и др. Под ред. Левинского Ю. В. — М: ЭКОМЕТ, 2005. 520 с.

24. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справочник. — М.: Металлургия, 1982. — 479 с.

25. Зарипов Н. Г1 Технологические основы порошковой металлургии, web-сайт. <http://nayilz.narod.ru/PorMet/soder.html>

26. ГОСТ 9849-86. Порошок железный. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. — 9 с.

27. ГОСТ 4960-75. Порошок медный электролитический. Технические условия. -М.: ИПК Издательство стандартов, 1998. — 10 с.

28. ГОСТ 12601-76. Порошок цинковый. Технические условия. М.: ИПК Издательство стандартов, 1997. - 22 с.

29. ГОСТ 9722-97. Порошок никелевый. Технические условия. — М.: Межгосударственный совет по стандартизации, серологии и сертификации, 1998. 10 с.

30. Друянов Б. А. Прикладная теория пластичности пористых тел. — М.: Машиностроение, 1989. —230 с.

31. Шестаков Н. А. Исследование влияния напряжений всестороннего сжатия на компактирование пористых материалов// Вестник МГТУ. М.: Машиностроение, 2002, №3.

32. Лаптев А. М, Подлесный С. В., Малюский В. Л. Расчет давлений при изостатическом прессовании порошковых материалов// Известия вузов. Черная металлургия. М.: МИСиС, 1987, №1. - С. 88-90.

33. Логинова Ю .Н. Вариационное решение задач формоизменения пористого цилиндра при осадке с прилипанием// Известия вузов. Черная металлургия. -М.: МИСиС, 1997, №11. С. 38-41.

34. Колмогоров В. Л. Напряжения, деформации, разрушения. — М.: Металлургия, 1970. — 229 с.

35. Колмогоров В. Л. Пластичность и разрушения. — М.: Металлургия, 1983.-229 с.

36. Сторожев М. В. Попов Е. А. Обработка металлов давлением. — М.: Машиностроение, 1977.— 423 с.

37. Никольская Л. Н., Русанов Б. В., Фридберг И. Д. О функции пористости, учитывающей контакты частиц в прессовках// Порошковая металлургия. — Киев: Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича, 1966, №6.-208 с.

38. Кохан Л. С., Лукашкин Н. Д. Особенности компактирования металлических порошков для прокатки заготовок// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2000, №5. — С.28-32.

39. Лукашкин Н. Д., Кохан Л. С. Компактирование разнородных порошков// Известия вузов. Черная металлургия.—М.: МИСиС, 2001, №11. -С. 34-38.

40. Кохан Л. С. Управление процессами компактирования композиционных материалов из металлических порошков// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2001, №12. — С. 13-16.

41. Кохан Л. С., Лукашкин Н. Д. Компактирование металлических порошков при монотонных деформационных процессах// Известия вузов. Черная металлургия. М.: МИСиС, 2002, №7. - С. 29-31.

42. Лаптев А. М. Анализ формования и допрессовки пористых втулок методом тонких сечений//Порошковая металлургия — 1988, №7. — С с.44-48.

43. Обработка давлением металлов и заготовок из скомпактированных спеченных металлических порошков/ Кохан Л. С., Коростелев А. Б., Роберов И. Г., Мочалов Н. А. М.: МГВМИ, 2008. - 254 с.

44. Обработка давлением металлических материалов/ Кохан JI. С., Коростелев А. Б., Роберов И. Г., Мочалов Н. А. М.: МГВМИ, 2009. - 520 с.

45. Кипарисов С. С., Падалко О. В. Оборудование предприятий порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1988. — 448 с.

46. Кипарисов С. С., Либенсон Г. А. Порошковая металлургия. — М.: Металлургия, 1991. — 496 с.

47. Штампы для горячего деформирования металла/ Тылкин М. А. Васильев Д. И., Рогалев А. М. и др. — М.: Высшая школа, 1977. — 496 с.

48. Довыденков В. А., Кохан Л. С. Обработка композиционных материалов на основе гранул и металлических порошков: монография. — Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2009. — 144 с.

49. Жданов Л. С., Маранджян В. А. Курс физики: Для средних специальных заведений: учебное пособие. — М.: Наука, 1968. 463 с.

50. Берент В. Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта. — М.: Интертекст, 2005. — 408 с.

51. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Температурные условия работы инструмента при прессовании изделий из скомпактированных и спеченных металлических порошков// Технология металлов. — М.: Наука и технологии, 2010,№7.-С. 30-33.

52. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Термические напряжения рабочих валков листовых станов// Металлург. — М.: Металлургиздат, 2009, №9. — С. 51-53.

53. Машины и агрегаты металлургических заводов. Учебник для вузов/ Целиков А. И., Королев А. А., Зюзин В. И. и др. — М.: Металлургия, 1988. — 680 с.

54. Беляев Н. М. Сопротивление материалов. — М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва Наука, 1976. — 608 с.

55. Кохан Л. С., Шульгин А. В., Семенова Л. М. Динамическая прочность инструмента при обработке давлением двух— и трехкомпонентных заготовок из металлических порошков// Металлург. — М.: Металлургиздат, 2010, №10. — С. 58-62.

56. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов: Учебник для вузов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.

57. Штаерман И. Л. Контактная задача теории упругости. — М.: Гос-техиздат, 1949. 270 с.

58. Теория прокатки: Справ./ А.И. Целиков, А.Д. Томленов, В.И. Зюзин и др. — М.: Металлургия, 1982. — 335 с.

59. Кохан Л. С., Шульгин А. В., Семенова Л. М. Физико-механические свойства композита железо-медь-цинк// Металлург. — М.: Металлургиздат, 2010, № 7. — С. 30-32.

60. Семенова Л. М. Физико-механические свойства композита железоняедь-никель// Технология металлов.—М.: Наука и технологии, 2009, № 8. — С. 34—36.

61. Кохан Л. С., Семенова Л. М. Оптимизация прочностных и пластических свойств многокомпонентных порошковых скомпактированных металлических материалов// Технология металлов. — М: Наука и технологии, 2009, № 8.—С. 38-40.

62. Кохан Л. С., Семенова Л. М. и др. Разработка технологических параметров обратного прессования круглых трубных заготовок из многокомпонентных композитов// Известия вузов. Черная металлургия. — М.: МИСиС, 2010, №9.-С. 38-40.