Совершенствование технологии волочения длинномерных осесимметричных композиционных электропроводников

 

На правах рукописи

 

 

 

Трофимов  Виктор Николаевич

 

 

совершенствование технологии волочения

длинномерных осесимметричных

композиционных электропроводников

 

 

 

            Специальность: 05.03.05 – Технологии и машины обработки

                                                            давлением

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических  наук

 

 

 

 

Глазов 2007

 

 

Работа выполнена в  Глазовском инженерно-экономическом  институте (филиале) Ижевского государственного технического университета

 

Научный консультант: доктор технических  наук, профессор,	Колмогоров Герман Леонидович
Официальные оппоненты: доктор технических  наук, профессор	Михайлов Юрий Олегович
доктор технических  наук, профессор	Шеркунов Виктор Георгиевич
доктор технических наук, профессор	Чукин Михаил Витальевич

 

Ведущее предприятие: ОАО «Чепецкий механический завод», г. Глазов

 

 

Защита состоится «_14_» _ноября__ 2007 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д212.065.02 в Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ИжГТУ

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять на имя секретаря диссертационного совета

 

С диссертацией можно  ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета

 

Автореферат разослан  «____»  октября  2007 г.

 

 

Ученый секретарь диссертационного совета                      Беневоленский И.Е.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.  Значительную часть изделий машиностроения, приборостроения и энергетики составляют осесимметричные слоистые композиционные изделия, получаемые волочением. Уникальные свойства композитов компенсируют высокую стоимость их производства. Деформирование композиционных заготовок при волочении исследовалось в работах Аркулиса Г.Э., Белова М.И., Бояршинова М.И., Белалова Х.М., Залазинского А.Г., Ейльмана Л.С., Маковского В.А., Колмогорова В.Л., Щеголева Г.А., Кучеряева В.Б., Паршина В.С., Соколовского В.И., Тарнавского А.Л. и др.

Волочением получают би- и триметаллические электропроводники диаметром 0,1-1,0 мм для работы в агрессивных средах, в условиях высоких температур, переменных нагрузок и др. Технология получения конечных изделий из слоистых электропроводников, например, кабелей, предусматривает длину единичного отрезка до 20 - 30 км при обеспечении сплошности покрытия и сердечника.

В соответствии с федеральной целевой  программой «Реформирование и развитие оборонно-промышленного комплекса», на основании приказа Министра РФ по атомной энергии №232 от 20.05.2002г., Программы конверсии ОАО ТВЭЛ утвержденной 23.07.2002 г., приказа руководителя Федерального агентства по атомной энергии РФ №261 от 02.12.2004 г. на ОАО «Чепецкий механический завод» организуется производство нового класса  композиционных изделий - проводов из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) для сверхпроводящих магнитных систем (СМС), с ежегодной программой производства до 100 тонн. Пуск производства позволит РФ выполнить обязательства в рамках работ по созданию международного термоядерного реактора ИТЭР и выйти на рынок сверхпроводящих материалов, объем которого по оценкам экспертов к 2015 г.г. превысит 200 млрд.$.

Проводники для СМС имеют  диаметр 0,1-0,7 мм и должны иметь длину единичного отрезка 3-30 км при обеспечении строгой геометрии многожильного композита в сечении при отсутствии пережимов, обрывов, инородных включений, высокой однородности сверхпроводящих волокон по длине и заданном уровне дефектности для обеспечения эффекта пиннинга. Указанные требования обеспечиваются на волочильном переделе, являющемся наиболее продолжительным этапом в технологии производства проводников для СМС.

Пластические свойства слоев композиционных заготовок могут существенно различаться, поэтому технология многопереходного волочения должна обеспечивать их деформирование без обрыва, так как после обрыва при последующей сварке заготовки структура композита и его параметры не восстанавливаются. Особенно важно выполнение условия безобрывности на последних переходах при тонком волочении, когда стоимость заготовки многократно возрастает.

Таким образом, актуальной задачей является разработка критериев и методик проектирования маршрута волочения, позволяющих получать длинномерные композиционные изделия и отвечающих заданным требованиям по длине и дефектности.

Основные результаты работы получены при выполнении НИР  по темам:

1. «Повышение стойкости алмазного волочильного инструмента при волочении медной никелированной проволоки» (договор между Пермским политехническим институтом и ПО «Камкабель» №86/71-13, 1986 г.).
2. «Разработка технологии волочения сверхпроводящих материалов (договор между ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов) и Пермским государственным техническим университетом (ПГТУ) № 2003/147, 2003 г.).
3. «Математическое моделирование процессов волочения композиционных Cu/NbTi и Cu/Nb прутков и проводов, расчет минимальных и максимальных величин разовой деформации, обусловленных неравномерностью деформации при волочении» (договор между ПГТУ (г. Пермь) и ФГУП ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара № 2006/146/423-47, 2006 г.).

Цель и задачи исследования. Целью исследования является совершенствование технологии волочения композиционных электропроводников путем прогнозирования и управления уровнем дефектности деформируемых композиционных заготовок на основе критериев разрушения и поврежденности, учитывающих влияние технологических параметров процесса волочения и условий трения.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка критериев, позволяющих спроектировать маршрут многопереходного волочения и обеспечить требуемую длину заготовки.
2. Разработка критериев, позволяющих обеспечить требуемую дефектность структуры заготовки.
3. Исследование влияния физико-химических и теплофизических свойств пары трения волока-заготовка на разрушение и стойкость алмазных волок, используемых на финишных переходах.
4. Расчет параметров и разработка практических конструкций инструмента для улучшения условий трения при волочении.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обобщение критериев разрушения и накопления дефектов при пластической деформации и формирование обобщенного критериального подхода к проектированию процесса многопереходного волочения композиционных заготовок.
2. Математические модели расчета напряженного и деформированного состояния при волочении композиционной заготовки с произвольным числом слоев и соотношением их пластических характеристик.
3. Теоретические основы расчета коэффициента трения при волочении в смешанном режиме трения.
4. Теоретические основы расчета параметров сборного волочильного инструмента для волочения в режиме СРТ.

Научная новизна  работы заключается в:

- разработке и теоретическом  обосновании условия безобрывности  процесса многопереходного волочения;

- разработке и теоретическом  обосновании критерия поврежденности при пластической деформации;

- разработке технологического  критерия поврежденности для  проектирования процесса многопереходного  волочения и прогнозировании уровня дефектности готовых изделий;

- разработке математической модели  процесса волочения слоистых  композиционных заготовок и анализе влияния основных параметров процесса волочения на величину напряжений в слоях композиционной заготовки;

- теоретическом обосновании методики  расчета коэффициента трения  при волочении в режиме смешанного  трения;

- разработке теоретических основ расчета напорных характеристик волочильного инструмента при волочении в режиме СРТ.

Методы исследования основаны на использовании экспериментальных и теоретических результатов физики твердого тела, теории пластичности, линейной механики разрушения и теории разрушения при обработке металлов давлением, использовании методов математической физики и математической статистики.

Практическая значимость. Результатами исследований, готовыми к практическому использованию являются:

1. Методика расчета напряженного и деформированного состояния при волочении слоистых композиционных заготовок.
2. Методика проектирования маршрута многопереходного волочения композиционных заготовок с использованием технологического критерия поврежденности и условия устойчивости (безобрывности).
3. Методика расчета параметров сборного волочильного инструмента для деформирования заготовок в режиме смешанного трения.
4. Устройства для реализации режима смешанного трения при деформировании тонких проволок, новизна технических решений которых подтверждена авторскими свидетельствами, патентами и наградами 51-й Всемирной выставки инноваций, научных исследований и современных технологий «Эврика-2002» (Брюссель, ноябрь 2002г.), дипломом Урало-Сибирской научно-промышленной выставки (Екатеринбург, июнь 2003 г.).

Реализация  работы. Полученные в работе результаты, разработанные способы и устройства проверены и использованы в условиях лаборатории кафедры «Динамика и прочность машин» Пермского государственного технического университета, ОАО «Камский кабельный завод» и ОАО «Чепецкий механический завод». Разработанные методики используются при проектировании технологии многопереходного волочения тонких биметаллических проволок в ОАО «Камкабель» (г. Пермь) и композиционных заготовок для сверхпроводников в ОАО «Чепецкий механический завод». Теоретические результаты работы используются в учебном процессе в форме лекций, УИРС, лабораторных работ и при выполнении дипломных и курсовых работ на кафедре «Динамика и прочность машин» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) и «Специальные инженерные науки» Глазовского инженерно-экономического института (филиала) Ижевского государственного технического университета.

Личный вклад автора заключается в постановке, организации и проведении теоретических и экспериментальных исследований, изготовлении практических конструкций волочильного инструмента, обобщении полученных результатов.

Автор выражает благодарность заслуженному работнику высшей школы РФ, заведующему  кафедрой «Динамика и прочность  машин» Пермского государственного технического университета профессору, д.т.н. Колмогорову Герману Леонидовичу за научную и организационную помощь.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

Научно-технической конференции «Современные вопросы динамики и прочности машин» (Пермь, ППИ: 1986); Научно-технической конференции «Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов давлением» (Пермь, 1987); Научно-технической конференции «Совершенствование технологических процессов кабельного производства» (Пермь, 1988); V Всесоюзной конференции «Получение и обработка материалов высоким давлением. (Минск: 1987); VII Всесоюзной конференции «Теплофизика обработки металлов давлением». (Тольятти, 1988); Научно-технической конференции «Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением» (Абакан, 1988); научно-техническом семинаре «Новые технологии производства слоистых металлов, перспективы расширения их ассортимента и применения» (Магнитогорск, 1989); Республиканском семинаре «Технология и оборудование технологического производства» (Алма-Ата, 1989); конференции «Эффективные технологические смазки, улучшающие качество изделий при волочении» (Киев, 1990); ХXXI научно-технической конференции ИжГТУ (Ижевск,  1998); XII Зимней школе по механике сплошных сред. (Пермь, ИМСС УрО РАН, 1999); VI Международной конференции «Комплексное обеспечение качества транспортных и технологических машин» (Пенза, 2000); Международной научно-технической «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, ИжГТУ, 2000); Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» (Пенза, 2001); Международной научно-технической конференции «Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин», (Пенза, 2001); VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь, 2001); Научно-технической конференции посвященной 50-летию Ижевского государственного технического университета. (Ижевск, ИжГТУ, 2002); 7-й Всероссийской научно - технической конференции «Аэро- космическая техника и высокие технологии  (12-14 апреля 2004, Пермь); Международном форуме «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, ИжГТУ, 2004); 7-й Всероссийской научно - технической конференции «Аэро- космическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2004); XIV Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, ИМСС УрО РАН, 2005); XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2005); Научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении и автомобилестроении» (Ижевск, ИжГТУ,  2005); III Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2007); семинаре кафедры «Машины и технологии обработки металлов давлением» Ижевского государственного технического университета; семинаре ЦНИЛ ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов).