girniy.ru   1 ... 2 3 4 5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Филиппова Т.С., Солонуха А.С., Квон Св.С. Выбор чисел зубьев и проверка условий синтеза планетарных механизмов // Труды международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030». Часть 3. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2011. С. 258-260.

2. Holland J.H. Adaptation in natural and artifical systems. Ann Arbor: Univ. of Michigan Press, 1975. 183 p.

3. Herrera F., Lozano M., Verdegay J.L. Tackling real-coded genetic algorithms: operators and tools for the behaviour analysis // Artificial Intelligence Review, Vol. 12, No. 4, 1998. P. 265-319.

4. Джонс Т.М. Программирование искусственного интеллекта в приложениях. М: ДМК Пресс, 2011. 312 с.


УДК 661.771.014


Исследование напряженно-деформированного состояния при прокатке полосы в валках с обратной конусностью


Ж.А. АШКЕЕВ, к.т.н., доцент,
Э.М. АЗБАНБАЕВ, ассистент, магистр,
М.Т. КУЛТАНОВА, ассистент, магистрант,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра ММиН



Ключевые слова прокатка, валок, обратная конусность, линия скольжения, конечный элемент, напряжение, деформация.

Известно, что процесс прокатки в цилиндрических валках в основном приводит к вытягиванию зерен в продольном направлении, т.е. по направлению прокатки, а в поперечном направлении – незначительно. Кроме того, вдоль продольной оси полосы появляются опасные растягивающие напряжения, которые могут привести к разрушению металла. Поэтому большой интерес представляет изменение течения металла за счет воздействия валков со специальной формой рабочей поверхности, которая позволяет обеспечить равномерность распределения механических свойств по всему объему заготовок.


Одним из таких способов является прокатка в валках с обратной конусностью. Отличительной особенностью предлагаемого способа прокатки от традиционного является наличие конусности валков, определяемой отношением (D – d)/2L, которая обеспечивает значительные сдвиговые компоненты деформации в пределах очага деформации, а также из-за разности скоростей со стороны большего и меньшего диаметра валков исключает однонаправленное течение металла в продольном направлении.

В данной работе приводятся результаты теоретического исследования нового процесса прокатки в валках с обратной конусностью (рисунок 1) методом линий скольжения [1], а также результаты математического моделирования методом конечных элементов в виртуальной среде программного комплекса Deform-3D.




1 – верхний валок; 2 – заготовка; 3 – нижний валок

Рисунок 1 – Схема процесса прокатки в валках
с обратной конусностью


Течение металла со стороны большего диаметра верхнего валка 1 будет интенсивнее, чем со стороны меньшего диаметра нижнего валка 3 (рисунок 1). Аналогичное явление будет наблюдаться с противоположной боковой стороны полосы, где со стороны большего диаметра нижнего валка скорость течения будет больше, чем со стороны меньшего диаметра верхнего валка. В результате такого течения металла в теле полосы 2 возникают более благоприятные условия, обеспечивающие закрытие внутренних дефектов и более равномерное распределение механических свойств по объему заготовок, а также снижение осевых продольных растягивающих напряжений.

Приводятся результаты исследования напряженного состояния металла методом линий скольжения при прокатке полосы в валках с обратной конусностью с относительной разностью диаметров валков d/D=0,846, конусностью (– d)/2L=0,1 и при относительной степени деформации  = 30%. Данные значения выбраны из условия, что при увеличении конусности (больше 0,1-0,2) трудно удержать и задавать полосу в зазор между валками, а величина  = 30% является максимально предельной.


Для исследования напряженно-деформированного состояния построено поле линий скольжения и соответствующее поле скоростей как со стороны верхнего валка, так и со стороны нижнего валка (рисунок 2а, б, в), вследствие асимметричности процесса прокатки в валках с обратной конусностью. Построение сетки линий скольжения производили до пересечения главной оси х, которую линии скольжения (л.с.) (рисунок 2б) должны пересекать под углом π/4, что означает правильность построения сетки л.с. Для обеспечения пересечения л.с. с осью х под углом π/4 необходимо следующее: примем, что в узловой точке 2.2 л.с. пересекается с осью у под углом 30º, т.е. θ2.2=30º. Принимая шаг изменения линии скольжения Δθ=15º, получим значение углов пересечения л.с. с главными осями в узловых точках 1.2 и 0.1.Последовательно прибавляя шаг Δθ к θ2.2 и θ1.2, т.е.:

θ1.2=45º; θ0.1=60º.

Аналогично получим значение угла пересечения л.с. с главной осью и в узловых точках 2.1, т.е. θ2.1=15º, θ1.1=30º, θ0.0=45º.

Со стороны нижнего валка с большим диаметром: в узловой точке 1.1*, θ1.1=30º, в узловой точке 0.0, θ0.0=45º.

Кроме того, правильность построения сетки л.с. проверяем по кинематически возможным полям скоростей из условия несжимаемости, т.е. должно выполняться условие: со стороны верхнего валка со стороны нижнего валка где значения скоростей брали непосредственно из годографа скоростей со стороны верхнего и нижнего валков.

Для определения напряженного состояния при прокатке в валках с обратной конусностью составим уравнение равновесия сил, приложенных к пластической области на выходе из очага деформации, как принято в работе [1]:




где s – среднее нормальное напряжение вдоль линии скольжения 0.0-0.1;
k – пластическая постоянная;
у0.1; у0.2; х0.2; у0.1*; х0.1* – значения координат в соответствующих узловых точках 0.1; 0.2; 0,1’’;
s0.0; s0.1 – среднее нормальное напряжение в узловых точках 0.0 и 0.1.

Используем соотношение Генки [1]:



где σ0.0 – среднее напряжение в узловой точке 0.0;
θ0.1 – угол наклона л.с. к главной оси в точке 0.1.

Подставляя данные соотношения в предыдущее уравнение и после преобразования, получим уравнение для определения среднего напряжения в узловой точке 0.0 и в других узловых точках поля л.с.:



В соответствии с заданными численными значениями получим

Компоненты напряжения в узловой точке 0.0, при



При симметричной прокатке в цилиндрических валках получим



Осевые напряжения в узловой точке 0.0 будут соответственно следующие:





а)



б)



в)

Рисунок 2 – Поле линий скольжения (б) и поле скоростей со стороны верхнего (а) и нижнего валков (в)

Сравнение результатов теоретического исследования и математического моделирования напряженного состояния процесса наглядно демонстрирует форму очага деформации (рисунок 3).


прямая соединительная линия 10

Рисунок 3 – Распределение эквивалентных
напряжений по сечению полосы в процессе
прокатки в валках с обратной конусностью


Как видно из рисунка 3, очаг деформации несимметричен относительно осевой линии, что подтверждает вышесказанные выводы. И наибольшие напряжения соответствуют участку полосы, деформирующегося со стороны большего диаметра валка, наименьшие участку со стороны меньшего диаметра. Характер распределения эквивалентных деформаций по сечению полосы представлен на рисунке 4.

Как видно из рисунка 4 характер распределения эквивалентных деформаций по сечению полосы несимметричный, а само распределение деформаций происходит по диагонали полосы (пунктирная линия на рисунке 4а). В случае прокатки в цилиндрических валках (рисунок 4б) деформации сосредоточены в периферийных участках полосы, значительная часть центральной области имеет пониженные значения эквивалентных деформаций. Так, при обычной прокатке среднее значение эквивалентной деформации по сечению полосы составляет ≈ 1,05-1,1, а при прокатке в валках с обратной конусностью ≈2-2,5, что выше в два раза, чем при обычной прокатке.


Распределение средних напряжений по сечению полосы приведено на рисунке 5.

При прокатке в цилиндрических валках средние напряжения имеют положительный знак в центре полосы (рисунок 5б), что говорит о наличии значительных растягивающих напряжений и подтверждает вышеприведенные выводы теоретического исследования.

Анализ результатов исследования показывает, что при прокатке в валках с обратной конусностью растягивающие напряжения σх0.0 достигают минимального значения (0,054k), т.е. предотвращают возникновение наиболее опасных растягивающих осевых напряжений, и исключают разрыхление металла в данной зоне. Разность скоростей со стороны входа в очаг деформации со стороны выхода т.е. на выходе из очага деформации скорость металла со стороны большего диаметра будет опережать скорость металла со стороны валков меньшего диаметра. Из-за разностей скоростей металла возникают условия, благоприятно влияющие на закрытие и заваривание внутренних дефектов (особенно, дефектов литейного происхождения).

При прокатке в валках с обратной конусностью участок полосы, деформируемый со стороны большего диаметра валка деформируется интенсивнее, чем со стороны меньшего диаметра, это приводит к возникновению значительных сжимающих напряжений от центра полосы к ее периферии. Следует отметить, что скорость металла на входе в зев валков распределена несимметрично. На входе в очаг деформации со стороны меньшего диаметра валков скорость металла выше, чем со стороны большего диаметра. На выходе из очага деформации скорость металла со стороны большего диаметра выше чем, со стороны меньшего диаметра. В виду такой разности скоростей со стороны валков в центральной области металла возникают сжимающие напряжения, что благоприятно сказывается на проработке структуры. При прокатке в цилиндрических валках средние напряжения имеют положительный знак в центре полосы, что говорит о наличии значительных растягивающих напряжений.





а б

а – в валках с обратной конусностью; б – в цилиндрических валках

Рисунок 4 – Распределение эквивалентных деформаций по сечению полосы в процессе прокатки в валках с обратной конусностью

При прокатке в валках с обратной конусностью характер распределения эквивалентных деформаций по сечению полосы несимметричный, а само распределение деформаций происходит по диагонали полосы. В случае прокатки в цилиндрических валках деформации сосредоточены в периферийных участках полосы, значительная часть центральной области имеет пониженные значения эквивалентных деформаций. Также прирост значений эквивалентных деформаций в случае прокатки в валках с обратной конусностью намного выше, чем при прокатке в цилиндрических валках. Так, при обычной прокатке среднее значение эквивалентной деформации по сечению полосы составляет ≈ 1,05-1,1, а при прокатке в валках с обратной конусностью ≈ 2-2,5, что выше в два раза, чем при обычной прокатке.




а)




б)

а – при прокатке в валках с обратной конусностью; б – при прокатке в цилиндрических валках

Рисунок 5 – Распределение средних напряжений по сечению полосы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Томленов А. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия, 1972.



УДК 621.793


Сравнительный анализ методов нанесения нанопокрытий на детали горно-шахтного оборудования


Г.С. ЖЕТЕСОВА, д.т.н., зав. кафедрой,
Т.Ю. НИКОНОВА, к.т.н., доцент,
Д.С. ЖУНУСПЕКОВ, магистрант,
Е.А. ПЛЕШАКОВА, докторант,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра ТМ



Ключевые слова: горно-шахтное оборудование, механизированная крепь, нанопокрытие, электрофизические методы, электрохимические методы, CVD (Chemical Vapor Deposition), PVD (Physical Vapor Deposition).


Требования как к производству механизированных крепей нового технического уровня, так и к ремонту старого горно-шахтного оборудования, используемого в тяжелых условиях работы, постоянно растут. Причиной этого является снижение затрат времени и средств на ремонт и изготовление непригодных для работы узлов оборудования, повышение надежности и долговечности механизированных крепей и тем самым снижение себестоимости угля и улучшение условий труда работников горнодобывающей отрасли.

Одним из ответственных элементов секций механизированных крепей являются гидравлические стойки и домкраты, которые представляют собой раздвижные ступенчатые системы. Эффективность, надежность и долговечность этих узлов в значительной мере зависит от способов противостоять вредному воздействию износа составляющих их деталей коррозии, рабочей поверхности, а также различным видам нагрузок и деформации. Резервы повышения их долговечности заключаются в технологическом обеспечении рационального состояния поверхностного слоя, воспринимающего циклические контактные нагрузки. Для этого широко используют упрочняющую обработку, которая создает поверхностный слой высокой твёрдости и большой толщины.


В настоящее время высокоэффективными методами упрочнения поверхности являются электрофизические и электрохимические методы обработки: ультразвуковая, электроэрозионная, магнитоимпульсная, электрогидравлическая, электроннолучевая, фотоннолучевая, анодно-химическая, электроискровая, под воздействием взрывной волны, лазера и др.

Для нанесения износостойких твердых наноструктурированных покрытий используется метод химического осаждения покрытий из газовой фазы – CVD (Chemical Vapor Deposition). Методы CVD получили особенно широкое распространение для нанесения покрытий на основе карбидов, нитридов, карбонитридов титана, а также окисла алюминия [1].

Покрытия из TiN, TiC являются базовыми для получения износостойких поверхностей деталей. Методами CVD из газовой фазы можно получать однослойные, двухслойные и даже трехслойные покрытия. Каждый слой такого покрытия несет определенную функциональную нагрузку, при этом обеспечивается плавный переход физико-механических свойств от основы к поверхности. Покрытия получают в реакторах с холодными и горячими стенками (рисунок 1).




а) б)

Рисунок 1 – Реактор с холодными и горячими
стенками


Внутри реактора помещается покрываемая деталь 1 и создается реакционная газовая среда 2. В стенках реактора имеются окна для подачи 3 и выпуска 4 газа. В реакторах первого типа (рисунок 1а) стенки 5 разогреваются. Это достигается с использованием электропечи сопротивления. В реакторах второго типа (рисунок 1б) стенки во время процесса осаждения остаются холодными, при этом для нагрева часто применяются индукционные печи 6.

Необходимо отметить следующие преимущества и недостатки CVD-методов нанесения покрытий на изнашиваемые детали ГШО:

– нет необходимости вращения заготовки в процессе нанесения покрытий;

– адгезия нанопокрытия к основе происходит интенсивнее, чем у PVD-методов;


– меньшая чувствительность к качеству подготовки основы перед нанесением на нее нанопокрытия.

Однако существуют также и недостатки вышеупомянутого метода:

– высокие рабочие температуры (до 1100°С);

– ограниченное число наносимых нанопокрытий;

– невозможность селективно наносить нанопокрытия;

– большие габариты установок.

Наряду с CVD-методами нанесения покрытий на изнашиваемые детали ГШО эффективными являются и методы физического осаждения пленок из паров или плазмы – PVD (Physical Vapor Deposition). Существует несколько PVD-методов нанесения вакуумных покрытий: резистивное осаждение, электронно-лучевое испарение, лазерное испарение, вакуумно-дуговое осаждение и магнетронное испарение.

При вакуумно-дуговом осаждении (ВДО) между катодом и анодом инициируется вакуумная дуга, которая испаряет материал катода. Дуговой разряд низкого давления горит в быстро перемещающихся катодных пятнах. Продуктом эрозии, в отличие от катодного распыления, является не поток атомов, а поток ионов материала катода с энергией от 20эВ у лёгких до 180эВ у тяжёлых атомов. При этом напряжение разряда составляет 20-30В при токе от нескольких десятков до сотен ампер. При этом обеспечиваются достаточно высокие скорости роста покрытий до 1,5 мкм/мин и более в зависимости от материала детали.

Преимущества применения вакуумно-дугового осаждения для быстроизнашиваемых деталей ГШО следующие.

ВДО осуществляется из плазмы испаряемого материала покрытия при высоких и управляемых энергиях частиц, что обеспечивает нагрев и термоактивацию подложки в процессе осаждения покрытия;

– эффективную предварительную очистку покрываемой поверхности за счет бомбардировки ионами материала покрытия;

– высокую плотность материала покрытия;

– адгезию покрытия на уровне прочности атомной связи с подложкой;

– высокую точность и воспроизводимость;

– cубмелкозернистую (пластичную) структуру покрытия;

– возможность управления структурой покрытия.

Напуск реакционного газа в вакуумную камеру в процессе ВДО позволяет получать покрытия на основе соединений, обладающие высокими физико-меха­ническими свойствами.

Очередным шагом в развитии вакуумно-дуговой технологии является осаждение покрытий с плазменной ионной имплантацией в процессе нанесения. Метод плазменной ионной имплантации при осаждении реализуется при следующей типичной электрической схеме приложения к подложке постоянного отрицательного потенциала и однополярного отрицательного импульсного потенциала с изменяемой частотой и амплитудой. Для нанесения покрытий в условиях ионной бомбардировки (имплантации) создан технологический комплекс на базе вакуумно-дугового метода (рисунок 2).

Для дополнительной химической активации молекулярного газа при подаче в вакуумную камеру его пропускают через цилиндрическую кварцевую разрядную камеру, в которой с помощью ВЧ генератора генерируются периодически повторяющиеся искро-

вые разряды, обеспечивающие появление ударной волны, которая сжимает и нагревает газ по оси разрядной камеры, в результате чего происходит диссоциация молекулярного газа. После чего атомарный газ, выходя из разрядной трубки, адиабатически расширяется в технологическом объеме без рекомбинации. Деталь 8 (гидроцилиндр домкрата) располагается на подвижной удерживающей подложке, ВЧ напряжение на подложку подавалось через согласующее устройство 5, 6 от ВЧ генератора 7. Затухающие ВЧ колебания в течение одного импульса создают условия для ионной бомбардировки (имплантации) обрабатываемой поверхности энергетическими ионами в начале импульса, а затем и осаждения их на поверхность при соответствующей в течение импульса величине спадающего напряжения. Таким образом, в течение одного импульса автоматически появляются условия для нанесения покрытий, независимо от рабочих характеристик установки (парциального давления рабочего газа, режима работы источника плазмы и т.п.).


Однако дуговой метод нанесения покрытий имеет существенный недостаток – наличие в плазме потока микрокапельной фазы, т.е. капель, испускаемых катодным пятном размером 0,1-10 мкм, что влияет на структуры покрытий, вводя в нее дополнительные искажения, границы, поры. Для уменьшения капельной составляющей создан целый ряд плазменных фильтров.

Таким образом, методы PVD [1, 3] являются более универсальными и гибкими для получения многокомпонентных наноструктурных покрытий деталей ГШО, которые обеспечивают возможности селективного нанесения нанопокрытия; не ограничивают число наносимых покрытий; выполняются в диапазоне небольших относительных температур.




1 – вакуумная камера; 2 – испаряемый материал;
3 – плазменный поток; 4 – источник питания дугового испарителя; 5 – коаксиальный кабель; 6 – конденсатор переменной емкости; 7 – ВЧ генератор; 8 – деталь

Рисунок 2 – Схема технологической системы синтеза покрытий на базе вакуумно-дугового разряда



<< предыдущая страница   следующая страница >>