Визначення раціональних параметрів лезової обробки субмікрокристалічних металів для збереження початкових властивостей заготовок - Автореферат

Методи інтенсивної пластичної деформації дозволяють отримувати обємні заготовки із субмікро-та нанокристалічних металів зі значно підвищеним рівнем межі міцності й твердості при збереженні достатньої пластичності. В обємних заготовках формується субмікро-або нанокристалічна структура, яка складається із зерен, розмежованих здебільшого неврівноваженими, високоенергетичними границями. Дослідження особливостей оброблюваності металів із субмікро-та нанокристалічною структурою; закономірностей розподілу температурних полів в оброблюваній заготовці; впливу початкового розміру зерна, температурного і часового факторів на остаточний розмір зерна структури та визначення на цій основі раціональних умов обробки металів із субмікро-та нанокристалічною структурою є завданнями, що мають певну актуальність. Отримано аналітичні залежності інтенсивності зростання зерна в металах із субмікро-та нанокристалічною структурою, які враховують особливості їх будови, що дозволяє розрахувати інтенсивність зростання зерна залежно від значення температурного чинника, часу його впливу та початкового розміру зерна. Отримали подальший розвиток дослідження фізичних особливостей процесу різання (коефіцієнт деформації стружки, сила і температура різання), стану поверхневого шару (шорсткість і мікротвердість) та експлуатаційних характеристик (корозійна стійкість, біосумісність) металів із субмікрокристалічною структурою, які виявили суттєві відмінності порівняно з обробкою їх аналогів з крупнокристалічною структурою.У першому розділі виконано аналіз літературних джерел щодо проблем створення металів із субмікро-та нанокристалічною структурою, особливостей внутрішньої будови цих матеріалів, фізико-механічних властивостей та методів їх обробки. У роботах Валієва Р.З., Воронової Л.М., Дегтярьова М.В., Галеєва Р.Р., Саліщева Г.А., Чащухіної Т.І., Чувільдєєва В.Н., Gleiter H., Kaptay G., Lowe T.C., Zhu Y.T. та ін. зауважено, що в металах із субмікро-та нанокристалічною структурою спостерігається низькотемпературна рекристалізація та аномальне зростання зерна, що повязане з особливою дефектною структурою металів. Установлено, що основними чинниками, які впливають на інтенсивність росту зерна, є температурний чинник, час його впливу та вихідний розмір зерна після інтенсивної пластичної деформації. Для знаходження остаточного розміру зерна нано-та субмікрокристалічного металу під впливом температурно - часових чинників та вихідного розміру зерна створено алгоритм на базі таких етапів: 1) вибір металу з початковим розміром зерна D0 (м), необхідними даними для розрахунків є діюча температура T (К) і час її впливу ? (с); Використовуючи експериментальні значення, отримані у даній роботі та іншими дослідниками, для субмікрокристалічного титану, міді, нікелю, армко - заліза, ніобію, розраховуємо інтенсивність росту зерна за рівнянням (2), яке враховує кристалічну природу границь зерен, та за рівнянням (3), що враховує аморфну природу границь зерен у субмікро-та нанокристалічних металах.Запропоновано науково-обґрунтований підхід для визначення області раціональних умов обробки (інструментальний матеріал, режими різання, технологічні середовища) металів із субмікро-та нанокристалічною структурою, які дозволяють забезпечити збереження в оброблюваній заготовці вихідних фізико-механічних властивостей. Алгоритм розрахунку побудовано на вихідних параметрах заготовки (розмір зерна та теплофізичні характеристики), розрахунків прогнозування інтенсивності росту зерна під впливом температурного та часового чинників, що характеризують процес різання металу заготовки. Отримано аналітичні залежності інтенсивності росту зерна із субмікро-та нанокристалічною структурою, що базуються на положеннях молекулярної фізики, фізики твердого тіла та металознавстві, дозволяють розрахувати інтенсивність росту зерна залежно від значення температурного фактора. У формулі визначення остаточного розміру кристаліту уточнено параметр інтенсивності зростання зерна, що дозволяє прогнозувати збільшення розміру зерна різних металів у результаті впливу температурно-часових чинників під час механічної обробки. Моделювання у програмному комплексі ANSYS дозволило розглянути закономірності розподілу температурних полів у поверхневому шарі заготовки, отримати значення температур та часу їх впливу на заготовку.

Основний зміст роботи

Дисертаційна робота присвячена розвязанню науково-практичної задачі щодо визначення раціональних технологічних параметрів лезової обробки металів із субмікро- та нанокристалічною структурою для збереження вихідних властивостей. За результатами досліджень зроблені наступні висновки: 1. Запропоновано науково-обґрунтований підхід для визначення області раціональних умов обробки (інструментальний матеріал, режими різання, технологічні середовища) металів із субмікро- та нанокристалічною структурою, які дозволяють забезпечити збереження в оброблюваній заготовці вихідних фізико-механічних властивостей. Алгоритм розрахунку побудовано на вихідних параметрах заготовки (розмір зерна та теплофізичні характеристики), розрахунків прогнозування інтенсивності росту зерна під впливом температурного та часового чинників, що характеризують процес різання металу заготовки.

2. Отримано аналітичні залежності інтенсивності росту зерна із субмікро- та нанокристалічною структурою, що базуються на положеннях молекулярної фізики, фізики твердого тіла та металознавстві, дозволяють розрахувати інтенсивність росту зерна залежно від значення температурного фактора. У формулі визначення остаточного розміру кристаліту уточнено параметр інтенсивності зростання зерна, що дозволяє прогнозувати збільшення розміру зерна різних металів у результаті впливу температурно-часових чинників під час механічної обробки.

3. Проведено експериментальні та теоретичні дослідження температури різання та теплових явищ у процесі обробки металів із субмікрокристалічною структурою. На основі теорії різання металів та теплофізичних залежностей отримано фізичну та математичну моделі розподілу температурних полів в оброблюваній заготовці. Створена динамічна скінченно-елементна модель. Моделювання у програмному комплексі ANSYS дозволило розглянути закономірності розподілу температурних полів у поверхневому шарі заготовки, отримати значення температур та часу їх впливу на заготовку.

4. Вивчено особливості процесу різання титану та міді з субмікрокристалічною структурою. Дослідження виявили, що коефіцієнт деформації стружки у субмікрокристалічних металів менший порівняно з крупнокристалічними аналогами, що пояснюється незначним зниженням пластичності субмікрокристалічних металів. Визначено кути зсуву у зоні стружкоутворення та коефіцієнти тертя для субмікро- та крупнокристалічного титану. Головна складова сили різання Pz при обробці субмікрокристалічного титану на 15…20 % вища, ніж при обробці крупнокристалічного титану з різними значеннями подачі, при глибині обробки до 1 мм. Збільшення сили Pz повязано зі збільшенням твердості та міцності субмікрокристалічного титану. Шорсткість за параметром Ra при обробці субмікрокристалічних металів нижча порівняно з обробкою крупнокристалічних металів. Величина шорсткості поверхні при точінні залежить від твердості оброблюваного матеріалу, з підвищенням твердості шорсткість знижується. Величина мікротвердості субмікрокристалічних металів у 1,2…1,5 раза перевищує значення крупнокристалічних аналогів. Однак при механічній обробці з високими значеннями швидкості різання та подачі, які призводять до зростання температури різання, спостерігається нівелювання перерахованих особливостей процесу механічної обробки.

5. Розроблено теоретичні основи та способи реалізації пошуку раціональних умов обробки металів із субмікро- та нанокристалічною структурою. Результати роботи моделі з розподілу температурних полів в оброблюваній заготовці і розрахунків інтенсивності зростання зерна під впливом температурного чинника, часу його дії та початкового розміру зерна дозволяють визначити технологічні умови обробки, що забезпечать збереження початкової структури металу заготовки.

6. Практичне застосування результатів дисертаційного дослідження повязане із використанням титану ВТ 1-00 із субмікрокристалічною структурою для комплектів робочої частини пуансонів таблеткового пресу у виробничому процесі ЗАТ "Лекхім-Харків" (акт впровадження). За запропонованою методикою створено дослідні зразки імплантантів із субмікрокристалічного титану ВТ 1-00 для медико-біологічних досліджень, які проведено на базі ДУ "Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка АМН України". Дослідження підтвердили можливість застосування субмікрокристалічного титана в імплантології.

1. Симонова А.А. Моделирование процесса наростообразования при обработке титановых сплавов / А.А. Симонова, В.В. Кузьменко, Н.В. Верезуб // Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2008. - вып.74. - С. 185-190.

Здобувач запропонував алгоритм створення моделі наростоутворення при обробці титанових сплавів.

2. Симонова А.А. Методология механических процессов обработки объемных нанокристаллических материалов / Н.В. Верезуб, Дж. Каптай, А.А. Симонова // Сучасні технології в машинобудуванні. - Харків: НТУ "ХПІ", 2008. - вип.2. - С. 19-26.

Здобувачем проведено аналіз особливостей поведінки субмікро- та нанокристалічних металів під впливом температурного та часового чинників; запропоновано підхід до прогнозування структурних змін під дією механічної обробки.

3. Симонова А.А. Обеспечение необходимого качества поверхностного слоя объемных нанокристаллических металлов после механической обработки / А.А. Симонова // Наукові нотатки. - Луцьк: Луцький державний технічний університет, 2009. - вип. 24. - С. 500-506.

4. Симонова А.А. Моделирование распределения температурных полей в обрабатываемой заготовке из субмикрокристаллического титана / А.А. Симонова, В.А. Фадеев, Н.В. Верезуб, Д.Н. Головко // Високі технології в машинобудуванні. - Харків: НТУ "ХПІ", 2009. - вип. 2(19). - С. 154-156.

Здобувач розробив теплову модель процесу лезової обробки та алгоритм розрахунку температурних полів.

5. Симонова А.А. Особенности механической обработки титана с субмикрокристаллической структурой / А.А. Симонова, А.Я. Мовшович, Н.В. Верезуб, Л.И. Пупань, В.А. Залога, Д.В. Криворучко, А.В. Локтик // Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ, 2009. - вип. 6(59), Частина 1. - С. 70-75.

Здобувачем проведено дослідження коефіцієнта деформації стружки, сили різання, шорсткості та мікротвердості обробленої поверхні при точінні титану.

6. Symonova A.A. The Management of Surface Quality of Metal with Nano and Submicrocrystalline Structure during Machining / N.V. Verezub, G. Kaptay, A.A. Symonova // Сучасні технології в машинобудуванні. - Харків: НТУ "ХПІ", 2010. - вип. 5. - С. 244-249.

Здобувач провів розрахунки області раціональних умов лезової обробки субмікрокристалічних металів.

7. Симонова А.А. Управление процессом механической обработки металлов с объемной нанокристаллической структурой / А.А. Симонова // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво: збірник праць восьмої Всеукр. молодіжної науково-техн. конф. 29-31 жовтня 2008р. - Луцьк: ЛНТУ, 2008. - С. 128-130.

8. Симонова А.А. Особенности механической обработки титана с микрокристаллической структурой / Н.В. Верезуб, А.А. Симонова // Прогресивна техніка та технологія - 2009: тези X міжнародної науково-техн. конф., 22-25червня 2009р. - Київ, 2009. - С. 17.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження температури та сил різання при токарній обробці субмікрокристалічного титану.

9. Симонова А.А. Некоторые закономерности процесса резания субмикрокристаллического титана / А.А. Симонова, Н.В. Верезуб // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы междунар. научно-техн. конф. 7-12 сентября 2009 г. - Севастополь: СЕВНТУ, 2009. - С.64-65.

Здобувач встановив особливості процесу механічної обробки субмікрокристалічного титану порівняно з крупнокристалічним аналогом.

10. Симонова А.А. Модель управления качеством поверхностного слоя металлов с нано- и субмикрокристаллической структурой при механической обработке / А.А. Симонова, Н.В. Верезуб // Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво: тези доповідей IX всеукр. молодіжної наук.-техн. конф. 26-27 листопада 2009р. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. - С.21-22.

Здобувач запропонував підхід до створення моделі управління якістю поверхневого шару металів з субмікро- та нанокристалічною структурою при механічній обробці.

?aciauaii ia .ru