Совершенствование технологии волочения длинномерных осесимметричных композиционных электропроводников

 При проектировании  маршрута волочения слоистой  композиционной заготовки условие  безобрывности позволяет определить функцию параметров процесса волочения для слоя, определяющего важнейшие эксплуатационные характеристики готового изделия, и назначить технологические или конструктивные мероприятия для исключения разрушения этого слоя или заготовки в целом.

3. Для исключения возможности  образования  макротрещины при  пластической деформации получен  критерий разрушения  , а для прогнозирования уровня дефектности металла - технологический критерий поврежденности , которые зависят от величины скалярной плотности D планарных дефектов (микротрещин).

Для определения текущего значения D использовано кинетическое уравнение нелинейной динамики. В отличие от кинетических уравнений, применяемых ранее для построения моделей накопления поврежденности, левая и правая части данного уравнения взаимозависимы и правая часть имеет вид степенной функции, что позволяет описать автомодельность и нелинейный характер процесса накопления планарных дефектов при пластической деформации. Решение кинетического уравнения показывает, что величина D зависит от параметров кривой упрочнения металла и показателя напряженного состояния k.

Проверка с использованием экспериментальных диаграмм пластичности показала возможность практического применения критерия   для проектирования процессов обработки металлов давлением.

Применение технологического критерия поврежденности при проектировании маршрута волочения позволяет исключить образование дефектов структуры, неустраняемых последующими отжигами. Величина зависит от отношения текущего D и критического D_cr  значений плотности планарных дефектов. Расчеты показали, что величина D_cr находится в диапазоне 10⁷÷10⁹ м^-3 и зависит от пластических свойств металла.

4.  Разработана математическая  модель процесса волочения слоистой  композиционной заготовки с произвольным  числом слоев.

Деформированное состояние  заготовки определялось в предположении  об отсутствии относительного скольжения слоев с использованием условия несжимаемости и  кинематически возможного поля скоростей, определенного для очага деформации ограниченного сферическими границами, кривизна которых определяется геометрией канала волоки и величиной коэффициента трения. Из полученных соотношений следует, что степень деформации частиц металла возрастает с увеличением угла наклона образующей , коэффициента трения и расстояния от оси заготовки. Анализ результатов расчета показал возможность применения гипотезы о плоских границах очага деформации, позволил упростить определяющие соотношения и получить формулы для определения средней степени деформации каждого слоя

Определение напряжений в слоях n-слойной композиционной заготовки сводится к решению системы n неоднородных дифференциальных уравнений первого порядка с переменными коэффициентами, полученных из дифференциального уравнения равновесия элемента произвольного слоя заготовки. Получены соотношения для определения напряжений для частных случаев – волочения би- и триметаллической заготовки.

Анализ результатов  расчета показал, что величина напряжений в слоях заготовки существенно  и неоднозначно зависит от геометрии  очага деформации, условий трения и конструкции заготовки, в частности, от соотношения пластических характеристик металла слоёв и их толщины. Для снижения продольных напряжений в слоях заготовок можно рекомендовать следующие меры: уменьшение , увеличение угла , уменьшение вытяжки .

5. Проведена оценка  прочности кристалла алмаза с  использованием метода конечных  элементов получено решение осесимметричной   задачи теории упругости в  предположении изотропии свойств  кристалла алмаза с учетом влияния контактных напряжений и температур на прочность поверхностных слоев кристалла алмаза. Результатов расчета по критерию прочности Мора показали, что в практическом интервале контактных напряжений и температур (t_к=150÷600 ⁰С, р_к=400÷900 МПа) кристалл алмаза сохраняет высокую прочность.

Из анализ особенностей взаимодействия пары трения металл-алмаз  следует, что разрушение и износ  алмаза могут быть обусловлены процессом  графитизации алмаза, который активируется при температурах выше 900 ⁰С в присутствии карбидообразующих металлов (Ni, Fe, Cr и др.).

Расчет контактных температур с учетом дискретности реального  контакта показал, что при волочении  пластичных металлов (медь) температура  в точках фактического контакта t_ф не превышает 300 ⁰С, а при волочении труднодеформируемых цветных металлов (никель, молибден) -  t_ф = 1400÷2000 ⁰С.

Уменьшению величины t_ф способствует снижение коэффициента трения за счёт перехода от граничного режима трения к смешанному или гидродинамическому.

6. Получено и теоретически  обосновано соотношение для определения величины коэффициента трения при смешанном режиме трения и предложен показатель, позволяющий оценить эффективность мероприятий по улучшению условий трения. Определено, что при волочении в режиме СРТ коэффициент трения зависит от напорных характеристик волочильного инструмента, которые могут быть определены из решения интегральных уравнений, описывающих осесимметричное течение вязкой несжимаемой смазки с постоянной и переменной вязкостью в канале напорных элементов и рабочих волок. Анализ решений интегральных уравнений показал, что уменьшение зазора между поверхностями заготовки и канала напорного элемента,  увеличение длины напорных элементов и вязкости смазки способствует снижению коэффициента трения.

7. Предложены практические  конструкции сборного волочильного инструмента, позволяющие реализовать режим СРТ при тонком волочении. Практические результаты волочения биметаллической медной никелированной проволоки в условиях цеха спецпроводов ОАО «Камкабель» показали, что использование напорных элементов совместно с вязкими жидкими смазками (минеральное масло) позволяет увеличить стойкость алмазного волочильного инструмента и уменьшить расход алмазных волок маршрута в 3,69 раза, а выходных волок в 8-10 раз, полностью исключить обрывность проволоки и разрушение защитной оболочки. Экспериментальная оценка значения коэффициента трения показала, что замена граничной смазки (мыльная эмульсия) на минеральное масло позволяет снизить коэффицент трения в 15÷2 раза и реализовать режим СРТ.

Основные результаты работы получены в рамках договорных работ с ОАО «Камкабель» (г. Пермь), ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов) и ФГУП ВНИИНМ им. акад. А.А. Бочвара (г. Москва) и использованы для совершенствования и  проектирования технологии многократного волочения слоистых осесимметричных композиционных электропроводников. При непосредственном участии автора разработаны практические конструкции устройств для тонкого волочения, новизна технических решений которых защищена 4 авторскими свидетельствами. Практическая значимость разработок подтверждена двумя серебряными медалями и дипломами 51-й Всемирной выставки изобретений, научных исследований и промышленных инноваций «Эврика 2002» (Брюссель, 17.11.2002) и дипломом Урало-Сибирской научно-промышленной выставки (Екатеринбург, 18-25.06.2003).

Основные  положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Напряженно-деформированное  состояние алмазного волочильного  инструмента/ Трофимов В.Н., Мельникова  Т.Е., Конников Г.Г.// Современные вопросы  динамики и прочности машин: Материалы науч.-техн. конференции – Пермь, 1986. – С.12.

2. Напряженно-деформированное состояние алмазного волочильного инструмента /Трофимов В.Н., Мельникова Т.Е., Конников Г.Г.// Современные вопросы динамики и прочности машин: Материалы науч.-техн. конференции – Пермь, 1986. – С.12.

3. Вопросы прочности твердосплавного волочильного инструмента/ Мельникова Т.Е., Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Конников Г.Г// Математическое моделирование технологических процессов обработки металлов давлением: Материалы научно-технической конференции – Пермь, 1987. – С.13.

4. Вопросы повышения стойкости алмазного волочильного инструмента при волочении медноникелевой проволоки /Трофимов В.Н., Мельникова Т.Е., Конников Г.Г.// Совершенствование технологических процессов кабельного производства: Материалы научно-технической конференции -  Пермь: 1988. – С.26-27.

5. Вопросы прочности твердосплавного волочильного инструмента/ Трофимов В.Н., Мельникова Т.Е., Конников Г.Г// Материалы межвуз. конф. «Прочностные и ди-намические характеристики машин и конструкций» - Пермь, ППИ: 1988. – С.48-49.

6. Влияние высокого  давления на напряженное состояние  алмазных волок / Мельникова Т.Е., Трофимов В.Н.//Получение и обработка  материалов высоким давлением: Материалы V Всесоюзной конференции – Минск: 1987. – С.89.

7. Гальваноспособ получения слоистых металлов / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.// Новые технологии производства слоистых металлов, перспективы расширения их ассортимента и применения: Материалы научно-технического семинара - Магнитогорск: 1989.– С.15.

8. Совершенствование  технологии волочения тонкой  медной проволоки с никелевой  оболочкой / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.// Технология и оборудование технологического производства: Материалы республ. семинара - Алма-Ата: 1989. – С.18.

9. Износостойкость алмазного волочильного инструмента при волочении медноникелевой проволоки / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г. // Трение и износ, №4, 1989. -  С. 599-604.

10. Пластогидродинамический  эффект антифрикционного покрытия при волочении / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.// Известия вузов. Черная металлургия,  №12, 1986. - С.62-64.

11. Формирование смазочного слоя для волочения при наличии подсмазочного покрытия / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.// Известия вузов. Черная металлургия, №12, 1985. - С. 57-59.

12.  Теплофизика волочения  биметаллической заготовки / Колмогоров  Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г.//Теплофизика  обработки металлов давлением:  Материалы VII Всесоюзной конференции – Тольятти: 1988. – С.67.

13. Индуктивный датчик  для замера усилия при испытании  материалов / Трофимов В.Н., Конников  Г.Г.// Материалы межвуз. сб. «Прочностные и динамические характеристики машин и конструкций».– Пермь, ППИ:  1986. – С.31.

14. Повышение стойкости алмазного волочильного инструмента при волочении медной никелированной проволоки / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Онискив Л.М. // Отчет о НИР (№ госрегистрации 01860076383) – Пермь, ППИ:  1987. – 53 с.

15. Совершенствование технологии волочения тонких проволок / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Конников Г.Г. // Материалы НТК «Эффективные технологические смазки, улучшающие качество изделий при волочении» - Киев, 1990: - С.5.

16. Стойкость алмазного волочильного инструмента и качество медной никелированной проволоки / Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Мельникова Т.Е. // Материалы НТК «Прогнозирование и управление качеством металлоизделий, получаемых обработкой давлением» – Абакан, 1988: – С.12.

17. Совершенствование  технологии волочения медной  никелированной проволоки / Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Сапрыкина И.С., Баглай А.Н., Симонова Е.И. // Цветные металлы,  №1, 1991. – С.51-52.

18. Энергия остаточных  напряжений при пластическом  деформировании волочением / Трофимов  В.Н., Колмогоров Г.Л., Курапова Н.А.// Материалы XII Зимняя школа по механике сплошных сред.- Пермь,  ИМСС УрО РАН: 1999.- С.185.

19. Определение энергии  остаточных напряжений при получении  изделий холодным волочением / Трофимов  В.Н. , Колмогоров Г.Л., Курапова Н.А.// Известия вузов. Черная металлургия,  №7, 1999: – С.30-33.

20. Трофимов В.Н. О  величине скрытой энергии при  холодной пластической деформации // Вестник ПГТУ. Динамика и прочность  машин. – Пермь, №1, 2000: – С.105-114.

21. Трофимов В.Н. Энергетический  критерий разрушения при холодной пластичес-кой деформации / Сб. трудов VI Междунар. конф. «Комплексное обеспечение качества транспортных и технологических машин» - Пенза, 2000: - С.189-190.

22. Определение скрытой  энергии в процессах холодной  пластической деформации / Трофимов  В.Н., Коновалов Г.Н., Чувашов В.Н., Горбушин М.В.// Материалы междунар. научно-техн. конф. «Информационные технологии в инновационных проектах» - Ижевск, ИжГТУ, 2000:- С.93-94.

23. О величине остаточных  напряжений при холодном волочении  /Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л.// Известия вузов. Черная металлургия.,  №1, 2001: - С. 21-24.

24. Технологическое обеспечение  качества защитного покрытия  жаростойких проводов / Трофимов В.Н., Коновалов Г.Н., Филиппов В.Б., Колмогоров Г.Л. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении» -Пенза, 2001:- С.28.

25. Определение остаточных  макронапряжений после холодной  пластической деформации / Трофимов  В.Н., Филиппов В.Б., Колмогоров Г.Л. // Материалы Междунар. научно-техн. конференции «Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин» - Пенза, 2001: – С. 20.

26. Трофимов В.Н. Определение  остаточных макронапряжений после  холодной пластической деформации / Материалы VIII Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике -Пермь, 2001:- С.564.

27. Волочение в режиме  гидродинамического трения –  технология ХХI века / Колмогоров Г.Л., Трофимов В.Н., Малинина Т.С., Ковалев А.Е. // Метизное производство в XXI веке (теория и практика) - Межвуз. сб. научн. трудов. Магнитогорск, МГТУ, 2001: – С.60-67.

28. Использование механических  характеристик прочности для  сравнительной оцен-ки технологических свойств / Трофимов В.Н., Колмогоров Г.Л., Филиппов В.Б. // Сб. трудов науч.-техн. конф. посв. 50-ти летию ИжГТУ - Ижевск, ИжГТУ, 2002: – С. 317-327.