Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1 Виды деформации и реологическое состояние конструкционных металлов 13
1.2 Масштабные уровни пластической деформации 16
1.3 Классификация металлических материалов как объектов деформации 19
1.4 Процессы измельчения структуры конструкционных металлов и сплавов 21
1.4.1 Способы интенсивного пластического деформирования 22
1.4.2 Равноканальное угловое прессование
1.4.2.1 Классический способ углового прессования 28
1.4.2.2 Разновидности углового прессования... 33
1.4.2.3 Способы углового прессования длинномерных заготовок 37
1.4.3 Физико-механические основы измельчения структуры 39
1.4.3.1 Траектория, механическая схема и характер деформации 40
1.4.3.2 Напряжённо-деформированное состояние 41
1.4.3.3 Влияние размеров очага деформации 46
1.4.3.4 Изменение направления течения и текстура 47
1.4.4 Эволюция микроструктуры способом интенсивного пластического деформирования сдвигом и влияющие на нее факторы... 48
1.4.4.1 Гидростатическое давление 55
1.4.4.2 Скорость деформации 55
1.4.4.3 Образование текстуры 56
1.5 Методы математического моделирования процессов интенсивного пластического деформирования по схеме углового прессования 61
1.5.1 Модель жесткопластического тела 63
1.5.2 Разрывное поле скоростей перемещений
1.5.3 Экстремальный принцип минимума действительных полей напряжений и скоростей перемещений 67
1.6 Выводы по главе 1 73
ГЛАВА 2. Компьютерное моделирование выдавливания в параллельных каналах 75
2.1 Выбор модели материала и условий трения 77
2.2 Кинематика течения и напряженно-деформированное состояние при РКУП ПК 77
2.3 Выдавливание заготовки в параллельных каналах по новой схеме ... 84
2.3.1 Выдавливание заготовки в параллельных каналах без подпора 84
2.3.2 Выдавливание заготовки в параллельных каналах с подпором 88
2.5 Выводы по главе 2 93 CLASS ГЛАВА 3. Математическое моделирование выдавливания в параллельных каналах 94 CLASS
3.1 Теоретический анализ энергосиловых и деформационных параметров процесса 94
3.1.1 Обобщенная параметрическая расчетная схема для автоматизации построения годографов скоростей перемещений 94
3.1.2 Верхняя оценка энергосиловых параметров и накопленных деформаций технологии равноканального углового прессования в параллельных каналах 97
3.2 Обсуждение результатов математического моделирования РКУП ПК 106
3.3 Математическая модель новой схемы выдавливания в параллельных каналах 109
3.4 Обсуждение результатов математического моделирования 114
3.5 Выводы по главе 3 118
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования технологического процесса выдавливания в параллельных каналах 120
4.1 Используемые материалы и размеры заготовок 120
4.2 Штамповая оснастка для лабораторных экспериментов 125
4.3 Результаты физического моделирования 134
4.4 Микроструктурный и дюрометрический анализ 150
4.5 Выводы по главе 4 159
ГЛАВА 5. Рекомендации по повышению эффективности накопления деформаций для получения конструкционных металлов и сплавов с ультрамелкозернистой и субмикрокристаллической структурой 161
5.1 Выводы по главе 5 181
Заключение 181
Список литературы
- Способы углового прессования длинномерных заготовок
- Выдавливание заготовки в параллельных каналах по новой схеме
- Обсуждение результатов математического моделирования РКУП ПК
- Микроструктурный и дюрометрический анализ
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. На современном уровне развития
машиностроения к применяемым конструкционным материалам, и в частности,
к легким и прочным металлам и сплавам предъявляются повышенные
требования. Это подтверждается действующим Указом Президента РФ от
07.07.2011 г. №988 «Об утверждении приоритетных направлений развития
науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических
технологий Российской Федерации». В Перечне критических технологий РФ,
содержащим 27 пунктов, «Технологии получения и обработки
конструкционных наноматериалов» значатся под пунктом 16. Поэтому получение металлов и сплавов, обладающих ультрамелкозернистой (УМЗ) и субмикрокристаллической (СМК) структурой, а значит и повышенным уровнем механических и эксплуатационных свойств, имеет существенное значение при создании ряда новых изделий авиа- и космической техники, атомной и электротехнической промышленности, а также медицинской техники.
Среди получивших развитие процессов интенсивного пластического
деформирования наибольшее внимание исследователей привлекает способ
равноканального углового прессования (РКУП), который, благодаря
способности к формированию однородной УМЗ и СМК структуры со средним размером зерен до 500 нм и внутризёренными фрагментами с размерами до 200 нм, а также при сравнительной простоте реализации, является перспективным методом получения полуфабрикатов, материал которых принадлежит классу объемных наноматериалов и обладает повышенными физико-механическими свойствами. При равноканальном угловом прессовании в параллельных каналах (РКУП ПК) заготовка продавливается через пересекающиеся каналы равного поперечного сечения и деформируется по схеме простого сдвига дважды, что повышает уровень накопленной деформации.
Работа, направленная на повышение интенсивности накопления деформаций в металле заготовок выдавливанием в параллельных каналах за счет рационального сочетания геометрических характеристик каналов штамповой оснастки и условий трения, оказывающих существенное влияние не только на энергосиловые параметры процесса, но и на уровень накопленной деформации, является актуальной.
Степень разработанности. Значительный вклад в развитие теории интенсивного пластического деформирования внесли российские и зарубежные ученые. Работы П.В. Бриджмена, О.А.Ганаго, В.А.Тюрина, В.Л.Колмогорова, А.А. Богатова, В.В. Рыбина, А.И. Рудского, S.J. Oh, S. Ray, B.V. Sklenicka и др.
подтверждают положительное влияние сдвиговой деформации на
эффективность измельчения структуры и повышения свойств. Важными
характеристиками технологического процесса выдавливания через
параллельные каналы являются энергосиловые параметры, которые в разное
время исследователи предлагали определять различными методами. В.М.
Сегал, О.А. Ганаго, Л.М. Овечкин использовали метод линий скольжения;
Ф.З.Утяшев, Р.З. Валиев, А.В. Боткин, Г.И. Рааб, Ю.Н. Логинов – метод баланса
работ и мощности; А.В. Периг, Е.Н. Сосенушкин – энергетический метод
верхней оценки; В.С. Юсупов, В.К. Бердин, А.М. Золотов, Ю.И. Рыбин, M.Z.
Gzyl, K.O. Sanusi, M. Furukawa – метод компьютерного моделирования методом
конечных элементов. Анализу напряженно-деформированного состояния
металла в процессах интенсивного накопления деформаций посвящены работы
В.Л. Бережного, О.А. Ганаго, Г.Е. Коджаспирова, В.Н. Субича, Е.Н.
Сосенушкина, Ф.З. Утяшева, K. Nakashima. В работах А.М. Дмитриева, Н.В.
Коробовой, Н.М. Русина, Л.А. Рябичевой и Н.А. Шестакова доказана
эффективность использования методов интенсивного пластического
деформирования для уплотнения некомпактных структур, например,
порошковых материалов и стружки цветных металлов. В исследованиях О.М.
Смирнова, О.А. Кайбышева, Ф.З. Утяшева угловое прессование применялось в
подготовке структуры заготовок для реализации процессов деформирования в
условиях сверхпластичности. Работы Я.Е. Бельгейзимера, А.Б. Найзабекова,
В.З. Спусканюка, Е.Н. Сосенушкина, В.Г. Шибакова посвящены
комбинированным процессам интенсивной пластической деформации на базе
РКУП, что повышает его эффективность. А.М. Глезер, С.В. Добаткин, В.В.
Столяров, М.Н. Белоусов изучали структурные особенности и механические
характеристики металлов и сплавов, подвергнутых интенсивному
деформированию. В исследованиях по высокоскоростному
структурообразованию в цветных сплавах И.В. Хомской, И.Г. Бродовой установлено, что при динамическом прессовании существенное (на три порядка) измельчение структуры и повышение твердости в 1,5 раза достигается при двукратном продавливании образцов через очаг деформации.
Под руководством М.В. Чукина ведутся работы по получению УМЗ структуры в стальных заготовках, которые входят в фазу создания промышленных технологий.
Целью работы является повышение эффективности штамповки
выдавливанием в параллельных каналах для получения заготовок с УМЗ и
СМК структурой на основе управления технологическими параметрами,
заключающегося в научно обоснованном выборе геометрических
характеристик каналов.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:
- разработать модели для компьютерного анализа особенностей
кинематики течения металла в условиях неустановившейся и стационарной
стадий процесса выдавливания в параллельных каналах;
установить взаимосвязь энергосиловых и деформационных параметров процесса выдавливания в параллельных каналах от геометрических параметров каналов матрицы и условий трения;
с использованием энергетического метода верхней оценки разработать математическую модель технологического процесса выдавливания в параллельных каналах, на основе которой получить основные уравнения для расчета силовых и деформационных параметров с учетом угла пересечения каналов, радиусов их сопряжения, межосевого расстояния между приемным и выходным каналами, а также с учетом условий трения;
исследовать влияние интенсивного пластического деформирования на фрагментацию структуры металла заготовки с помощью микроструктурного анализа;
- экспериментальными исследованиями подтвердить адекватность
разработанных компьютерных и математических моделей;
- разработать рекомендации по повышению эффективности измельчения
структуры конструкционных материалов.
Объектом исследования являются энергосиловые и деформационные параметры заготовок из свинца С1 и алюминиевых сплавов АД1 и АМц.
Предмет исследования. Установление влияния разных механических схем на напряжённо-деформированное состояние (НДС) заготовок в процессе выдавливания в параллельных каналах, а также влияния геометрических параметров каналов и условий трения на формирование УМЗ и СМК структуры деформируемого металла.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
обобщенная параметрическая расчетная схема процессов углового прессования для автоматизации построения годографов скоростей перемещений;
результаты компьютерного моделирования по определению рациональных геометрических параметров каналов матрицы и установленной необходимости применения подпора в процессе проталкивания заготовки через каналы матрицы;
математическая модель для определения силовых параметров и интенсивности линейных и суммарных сдвиговых деформаций, в основу которой положен энергетический метод верхней оценки;
- конструкции штамповой оснастки, обеспечивающие повышение
интенсивности деформирования за один переход.
Научная новизна заключается в:
- установленной взаимосвязи силовых и деформационных параметров
процесса выдавливания в параллельных каналах с геометрическими
характеристиками каналов матрицы, а именно, размерами поперечного сечения
каналов матрицы, углов их пересечения и радиусами сопряжения в местах
изменения направления течения металла, обеспечивающими плоско
параллельное движение каждого сечения заготовки и постоянство скоростей
перемещений в них, что повышает однородность деформации;
- результатах компьютерного моделирования выдавливания в
параллельных каналах, устанавливающих характер и особенности течения
металла в каналах матрицы, энергосиловые параметры и напряженно-
деформированное состояние заготовок на каждом этапе деформирования;
- математической модели для расчета удельных сил деформирования при
выдавливании в параллельных каналах, учитывающей не только размеры
поперечного сечения каналов матрицы, но и угол их пересечения; радиусы
сопряжения и межосевое расстояние между приемным и выходным каналом, а
также условия трения на контактных поверхностях;
- математической модели определения деформационных параметров
таких, как суммарная деформация сдвига и накопленная интенсивность
деформаций.
Теоретическая значимость. На основе энергетического метода верхней оценки разработана методика расчета силовых и деформационных параметров процесса выдавливания в параллельных каналах.
Практическая значимость работы заключается в:
- обобщенной параметрической расчетной схеме процессов
выдавливания в пересекающихся каналах для автоматизации построения
годографов скоростей перемещений;
- новом способе углового прессования заготовок в параллельных каналах
(патент РФ № 2519697 на изобретение);
- разработке устройств для реализации процесса выдавливания в
параллельных каналах, в конструкции которых использован модульный
принцип, обеспечивающий быструю переналадку заменой вставок, что
необходимо для изменения угла пересечения каналов, их протяженности и
радиусов сопряжения (патент РФ №86507 на полезную модель, патент РФ
№2509621 на изобретение);
- конструкции штампа для выдавливания заготовок в параллельных
каналах, которые сопряжены по закону синуса (патент РФ № 133440 на
полезную модель);
- конструкции штампа, с помощью которого удалось совместить процесс
выдавливания в параллельных каналах с винтовой экструзией, что позволяет в
процессе прессования осуществить поворот заготовки вокруг продольной оси
на угол 90, т.е. реализовать несколько маршрутов выдавливания в одном
штампе (патент РФ №2440210 на изобретение);
- изготовлении заготовок из алюминиевых сплавов АД1 и АМц с
повышенными механическими свойствами, таких как прочность и твердость
при высоком уровне пластичности, благодаря получению УМЗ и СМК
структур;
- рекомендациях по проектированию и реализации технологии и
штамповой оснастки для выдавливания заготовок в параллельных каналах
матрицы.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Работа соответствует формуле специальности 05.02.09. «Технологии и машины обработки давлением» п.1, 2 и 3 области исследований.
Методы исследования. Теоретические исследования процесса
выдавливания в параллельных каналах выполнены с использованием основных положений теории пластичности. Математическое моделирование силовых и деформационных параметров осуществлялось энергетическим методом верхней оценки. Анализ кинематики течения и НДС заготовки выполнен численно методом конечных элементов с использованием средств компьютерного моделирования DEFORM 3D. Экспериментальные исследования проведены на испытательном комплексе Instron 5989; обработка опытных данных осуществлялась с применением методов математической статистики. Исследование структур проводилось с помощью методов металлографии.
Автор выражает глубокую признательность за помощь в проведении экспериментов начальнику Лаборатории исследования свойств материалов Центра коллективного пользования ГИЦ Аксёненко А.Ю.
Достоверность результатов обеспечена корректностью постановки задач, применением известных математических методов, обоснованным использованием допущений и ограничений при выводе теоретических зависимостей и подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.
Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию в кузнечном цехе ОАО «ММЗ «Авангард» АО «Концерна ВКО «Алмаз-Антей» и АО «НПО «Базальт» г. Москва и в учебном процессе, о чем свидетельствует соответствующие акты.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Всероссийских конференциях: Молодежная конференция «Автоматизация и информационные технологии»
(2011 г. – диплом победителя I тура; 2012 г. – диплом за лучший научный доклад III место) ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»; конгресс «Кузнец-2009», конгресс «Кузнец-2012» г. Рязань;
на международных научно-технических конференциях «Современные
металлические материалы и технологии СММТ-2011», «Нанотехнологии
функциональных материалов (НФМ’2014) г. Санкт-Петербург; IX International
Congress Machines. Technologies. Materials Section Technologies 2012, Varna; XII
International Congress Machines. Technologies. Materials 2014. Section
Technologies.Varna; II международной научной конференции «Моделирование
нелинейных процессов и систем» 2013 г. Москва; XX Международной
конференции «Математика, компьютер, образование», г.г. Москва - Ижевск, 2013;
на постоянно действующем научном семинаре кафедры «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»;
принимали участие в конкурсах и отмечены дипломами Московского международного салона инноваций и инвестиций 2010 г.; Международного Салона промышленной собственности «Архимед» - 2013 г.; международного конкурса «Concours Lpine Le Salon International De L’Invention De Paris».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 33 печатных работах, из которых 7 из Перечня ВАК РФ, 2 патента на полезные модели, 6 патентов на изобретения, 18 - в других рецензируемых изданиях, из них 7 – в престижных международных журналах, входящих в базу Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы и пять приложений. Диссертация насчитывает 201 текстовую страницу, 80 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 151 наименования. Общий объем диссертации – 263 страницы.
Способы углового прессования длинномерных заготовок
На макроскопическом масштабном уровне рассмотрению подлежит поликристаллическое деформируемое тело в целом или его выделенный элементарный объем. В этом случае нижняя граница диапазона размеров limin для объемного тела принимается равной 10 dc (где dc - средний размер зерен) [6], что позволяет аппроксимировать поликристаллическое тело сплошной средой с постоянной плотностью, которая состоит из большого числа материальных точек с бесконечно малыми размерами. Под влиянием внешней нагрузки в теле возникают напряжения, заставляющие точки перемещаться относительно друг друга, вызывая пластические деформации, определяемые методами механики сплошных сред [7].
Структура металлических материалов на микроскопическом масштабном уровне отличается хаотичным распределением по объему отдельных зерен (кристаллитов) микродефектов. Наряду с точечными дефектами, к ним относятся линейные дефекты, представляющие собой дислокации; дефекты упаковки, границы зерен и фаз, которые являются планарными дефектами[8]. Линии дислокаций по ширине соизмеримы с периодом кристаллической решетки в двух поперечных направлениях, а её длина простирается на дальние порядки, превосходящие период решетки, и приближается к размерам зерен. Толщины границ составляют всего 1 3 межатомных расстояния [9], а протяженность самих границ в двух направлениях в несколько раз больше размеров зерен и фаз.
Количественный фактор масштаба микроуровня в разных работах оценивают по-разному. В источнике [10] в качестве характеристики микроуровня принят диапазон л]р «\ d, где р - скалярная плотность дислокаций,d- размер зерна, у[р 100b 10 8 м. Авторы работы [11] микроуровень ограничивают диапазоном размеров (і 30)bи объемом - 17 (іОО-ПООО)га, гдеКд -Побъем атома. Перемещения дислокаций на порядки превосходят межатомные расстояния, но при больших степенях деформации в металле возникает много малоподвижных скоплений дислокаций и их свободный пробег становится намного меньше, чем в исходном малодеформированном состоянии. Масштаб микроуровня сужается с уменьшением расстояния свободного пробега дислокаций. На микроуровне преобладают относительные перемещения зерен по разделяющим их границам, называемые сдвигами в плоскости границы или зернограничное проскальзывание. Такие сдвиги превышают межатомные расстояния и могут перемещать кристаллиты относительно друг друга на расстояния, равные размерам зерна, т.е. соседние зерна сменяются другими.
В соответствии с [12] при интенсивном холодном деформировании на микроуровне выделяются три этапа изменения структуры, в результате чего образуются зёрна с большеугловыми границами общего типа: - в самом начале деформирования преобладает ячеистая структура; - с увеличением степени деформации уменьшается толщина стенок ячеек, а плотность дислокаций в них превышает критическую. Становится возможным явление возврата. Аннигиляция дислокаций противоположных знаков приводит к избытку внесённых дислокаций двух знаков в стенках ячеек; - дальнейшее деформирование повышает плотность дислокаций с векторами Бюргерса, перпендикулярными границам и ведёт к их дальнейшим разориентировкам и превращению ячеек в зёрна. Вблизи с сильно неравновесными границами появляются области значительных искажений кристаллической решётки, за счет полей упругих дальнодействующих напряжений, внесённых зернограничных дислокаций, часть которых (скользящие ЗГД) при своём движении приводят к зернограничному проскальзыванию и относительному смещению зёрен.
На мезоскопическом уровне при деформациях 0,2-0,3 существенное влияние на возникновение и перемещение отдельных дислокаций оказывают возникающие внутренние напряжения, создаваемые скоплениями дислокаций, которые постепенно преобразуются в границы слабоориентированных областей и коллективные ансамбли дислокаций, рассматриваемых как мезодефекты [13]. Перемещения мезодефектов своеобразны и отличаются от движения дислокаций тем, что их перемещение носит некристаллографический характер и образует в поликристаллическом материале внутреннюю поверхность, так называемую полосовую границу.
На мезоуровне при интенсивном немонотонном деформировании количество пересечений полосовых структур нарастает в большей мере, чем при монотонном деформировании [14]. Существенное различие в угловых ориентировках продольных и поперечных границ фрагментов расположенных в них способствует ускоренному переходу материала от полосовых структур к фрагментированным с нарастающими углами разориентировки [15].
Размеры мезодефектов, образующихся при деформации, и величина их некристаллографических сдвигов определяют масштаб мезоуровня. Этот вид сдвига становится основным механизмом деформирования, наряду с дислокационным сдвигом.
При интенсивном деформировании, которое сопровождается измельчением структурных элементов, таких как дислокационные ячейки, блоки, микрополосы (в поперечном направлении) и зерна, приводят к нивелированию различий в размерах между ними до значений 0,1 мкм и менее [16]. На конечном этапе деформирования структура состоит из одинаковых в размерах зерен и субзерен с преобладанием большеугловых границ. Другими словами мезодефекты переходят на микро- и субмикрокристаллические уровни в результате их фрагментации.
Выдавливание заготовки в параллельных каналах по новой схеме
С развитием процессов РКУП и необходимостью определять их силовые и деформационные параметры изменялись и подходы к математическому моделированию.
Начиная с разработчиков процессов РКУП [38], многие исследователи [45, 105] использовали хорошо зарекомендовавший себя метод линий скольжения [86, 106, 107], применяемый для решения плоских задач, который заключается в построении сетки линий скольжения в пластической области и исследовании их свойств. В итоге находят распределение средних нормальных напряжений в пределах построенного поля линий скольжения.
Не менее популярен один из энергетических методов – метод верхней оценки [108-112]. Сравнительная характеристика с методом линий скольжения применительно к расчету процесса РКУП приведена в работе [109]. Величина относительных удельных сил p/2k отличается всего на 5,5%. Применение метода жестких блоков позволяет прогнозировать образование застойных зон и их увеличение с ростом трения, а также снижение при этом суммарной угловой деформации.
В другой работе [110] метод верхней оценки сравнивается с расчетами по методу конечных элементов, ставшим очень популярным среди исследователей в последнее время [113-116]. Установлено, что полученные этими методами значения сил очень близки, что говорит о возможности их применения в практической деятельности [114,116].
В работе [117] описан экспериментально-теоретический метод анализа силовых показателей процесса РКУП. Неравномерность деформации оценивалась с помощью метода кольцевых и прямоугольных сеток. Углы пересечения каналов принимались 90 и 120. Интенсивность деформаций определялась методом Грина.
Авторы [82, 118, 119] предложили для расчета энергосиловых параметров использовать метод баланса мощности. В работах [113] с помощью метода конечных элементов показана особенность НДС при РКУП при угле пересечения каналов 90. Отмечается крайне неравномерный характер деформаций в поперечном и продольном сечениях. Так, например, эффективная деформация сосредоточена вблизи внутренней поверхности заготовки Sj. Неравномерно распределены и средние напряжения, при этом эволюция НДС коррелируется с результатами микроструктурного анализа.
Влиянию трения на силовые параметры РКУП посвящена работа [120]. Автором работы [121] с помощью компьютерной модели оценена роль радиусов сопряжения каналов. Проанализировано большое количество различных сочетаний размерных характеристик и предложен диапазон значений, в котором силы прессования близки к минимуму.
Попытки ввести в расчетные зависимости значения радиусов предприняты в работах [110,122]. Авторам [121] удалось получить основные аналитические зависимости для расчета удельных сил с учетом радиуса сопряжения каналов матрицы.
Для оценки результатов измельчения структуры после процессов РКУП по кинетическому уравнению фрагментации структуры [8] авторами работы [93] предложена методика определения размеров очага пластической деформации. Из условия минимума поверхностной энергии фрагментов в полосе определяют связь между поперечными размерами фрагмента и полосы. Установлено, что глубина измельчения структуры зависит от вкладов кристаллографического (внутрифрагментарного дислокационного) и некристаллографического (межфрагментарного дисклинационного [123]) механизмов деформации, приводящих к образованию границ фрагментов и полос.
В работах [75, 82, 120, 124] уделено внимание физическому моделированию процессов РКУП. Так, например, в работах [75, 84] в основу исследований положен метод кольцевых сеток. Установлены основные закономерности пластического течения металла и подтверждено наличие поворотных мод деформации в процессах РКУП. Получены количественные соотношения для макроскопической ротации и неоднородности поворота материала заготовки при углах пересечения каналов 75, 90, 105.
Критический анализ теоретических методов, используемых для расчетов силовых и деформационных параметров, показал, что наибольшей популярностью среди исследователей пользуется энергетический метод верхней оценки из-за своей простоты, поэтому остановимся подробнее на его описании с целью использования в дальнейших исследованиях.
Обсуждение результатов математического моделирования РКУП ПК
Промежуточный канал выполнен таким образом, что сечение по всей его длине, в плоскости, перпендикулярной осям приемного и выходного каналов, геометрически идентично поперечному сечению приемного и выходного каналов, при этом угол наклона составляет 110135.
Сечения в плоскости, перпендикулярной оси промежуточного канала, уменьшаются до размера Ь=а хк по высоте (а - ширина приемного и выходного каналов; к - параметр, который зависит от угла пересечения каналов ). Необходимость введенных ограничений по углу пересечения каналов объясняется следующим. Из технической литературы известно, что при геометрической идентичности поперечного сечения всех каналов и углах 90120, добиваются положительных результатов по интенсивному измельчению структуры. Если угол пересечения каналов 110, жесткие области в деформируемом металле не образуются. Однако при реализации разработанной технологии при углах пересечения каналов 110 параметр Ъ (см. рисунок 4.4) может уменьшиться более чем на 50% и более, что является препятствием для течения металла, а при углах 135 преобладает изгиб вместо деформации простого сдвига, при котором эффект измельчения структуры отсутствует или незначителен. Расстояние S между осями приемного и выходного каналов необходимо выбирать из диапазона a S 2a для того, чтобы ограничить протяженность промежуточного канала для снижения сил трения при прохождении через него заготовки. Матрица выполнена составной (см. рис. 4.4).
Штамп содержит бандаж 1, в который запрессованы две полуматрицы 2 и 3. В полуматрицах выполнены приемный канал 4, промежуточный канал 5 и выходной канал 6. Приемный и выходной каналы (4 и 6) расположены параллельно и выполнены в поперечном сечении геометрически идентичными. Промежуточный канал 5, соединяющий приемный и выходной каналы (4 и 6) под углом 6, выполнен таким образом, что сечение по всей его длине в плоскости, перпендикулярной осям приемного и выходного каналов (4 и 6), остается геометрически идентичным поперечному сечению приемного и выходного каналов (4 и 6). В плоскости, перпендикулярной оси промежуточного канала 5, сечение уменьшается до размера Ь=а хк по высоте. Заготовка 7 из необходимого сплава устанавливается в приемном канале 4, высота которого Ы, и проталкивается пуансоном 8 в промежуточный канал 5. Полуматрицы 2 и 3 фиксируются относительно друг друга штифтами 9. Бандаж 1 изготовлен с отверстием под матричные вставки асимметричным чтобы обеспечить соосность внешней активной нагрузки с осью симметрии блока штампа. Пуансон 8 выполнен так, что его сечение идентично сечению приемного канала 4.
Штамп для комбинированного выдавливания работает следующим образом. На поверхность металлической заготовки 7 высотой (0,7-0,8)Ы и на рабочую поверхность пуансона 8 наносят слой технологической смазки. Заготовка 7, покрытая технологической смазкой помещается в приемный канал 4 таким образом, чтобы ее нижний торец соприкасался с линией пересечения приемного и промежуточного каналов (4 и 5). Затем устанавливают пуансон 8 в приемный канал 4, нижний торец которого должен соприкасаться с исходной заготовкой 7. Деформация происходит постепенным проталкиванием заготовки 7 пуансоном 8 в промежуточный канал 5. При проталкивании металла в промежуточный канал 5 заготовка 7 получает дополнительные деформации сжатия. Для продолжения деформирования заготовки 7 в выходном канале 6 устанавливают еще одну заготовку (на чертеже не показана), с поперечным сечением идентичным заготовке 7. При проталкивании все заготовки подвергаются двум циклам деформации простого сдвига. Это происходит при движении заготовки 7 по приемному каналу 4 и переходом ее в промежуточный канал 5 и далее при - течении металла из промежуточного канала 5 в выходной канал 6.
Дополнительные деформации сжатия и растяжения сообщаются заготовке 7 при прохождении через промежуточный канал 8, в котором сечение заготовки 7 в одном из направлений сначала уменьшается до размера b, а при дальнейшем проталкивании в выходной канал 5 сечению заготовки 7 возвращаются первоначальные размеры а. Происходит более качественное заполнение выходного канала 6 металлом, перемещаемым из промежуточного канала 5 за счет подпора, создаваемого предыдущей заготовкой, находящейся в канале, за счет сил контактного трения и сопровождается сообщением заготовке 7 дополнительной деформации растяжения в одном из направлений. Таким образом, заготовка дважды подвергается простому сдвигу и дополнительным знакопеременным деформациям последовательного сжатия и растяжения. Это повышает интенсивность измельчения структуры деформируемого металла, а также увеличивает вероятность получения однородных структур и повышения механических свойств деформируемого материала за счет упрочнения. В таблице 4.8 охарактеризованы конкретные значения угла пересечения каналов 9 из принятого диапазона, соответствующие значения коэффициента k, процент уменьшения размера промежуточного канала по сравнению с параметром а и процент повышения мелкозернистости и однородности получаемой структуры.
Необходимость фиксирования положения заготовки в каналах штампа после каждого прохода обусловила проектирование разборной конструкции с болтовым креплением полуматриц. Для проведения экспериментального исследования выдавливания в параллельных каналах в схему штампа внесены конструктивные изменения в соответствии с полученными результатами компьютерного моделирования особенностей кинематики течения металла. Внутренний и внешний радиусы сопряжения каналов выполнены равными 1,5 мм. Геометрические параметры изготовленного штампа для процесса интенсивного выдавливания в параллельных каналах
Микроструктурный и дюрометрический анализ
Для образования одного очага деформации с однократным изменением направления течения металла на 90 достаточно обеспечить заход пуансонов в матрицу на следующие величины: - для коротких заготовок прессование может осуществляться последовательно в одном из четырех вариантов каналов, например, приемным каналом является отверстие 10 под пуансон 2. В этом случае заход рабочей части пуансонов 4 и 7 в матрицу складывается из расстояний (2b+а), с фиксацией их положения во время рабочего хода пуансона 2. Пуансон 9 до начала прессования имеет заход в матрицу на расстояние (b) и во время рабочего хода на величину (b) пуансон 2 создает противодавление. Выталкивание заготовки из канала осуществляется пуансоном 4, при этом пуансоны 2 и 7 неподвижны.
Не задействованы в данной схеме углового прессования пуансоны 3, 5, 6, 8. Т.к. приемным каналом в данной схеме прессования может быть любой, поэтому чередование каналов при перенастройке системы управления пуансонами позволит уменьшить износ матрицы; - для заготовок увеличенной длины с использованием того же приемного канала пересекающиеся каналы могут быть образованы за счет захода в матрицу пуансонов 7, 8 и 9 на расстояние (b), а пуансонов 4 и 5 на расстояние (2b+а). Пуансон 8 при прессовании создает противодавление на величине хода (b). Прессование осуществляется пуансоном 2 на величине хода (2b+а), выталкивание заготовки из канала проводится пуансоном 5. Пуансоны 4, 7 и 9 остаются в фиксированном положении на протяжении всего процесса прессования, а пуансоны 3 и 6 не задействованы в данной схеме углового прессования. Для образования двух очагов деформации при двукратном изменении направления течения металла по схеме канального углового прессования в параллельных каналах необходимо обеспечить следующие величины захода пуансонов в матрицу. Если отверстие 10 под пуансон 2 является приемным каналом, заход в матрицу пуансонов 5, 7, 8 и 9 необходим на расстояние (b), пуансона 4 - на расстояние (2b+а). При достижении пуансоном 2 величины хода, равного (b+а), пуансон 4 совершает обратный ход для освобождения канала, а пуансон 3 заходит в матрицу на расстояние (2b+а), давая возможность металлу перемещаться в направлении отверстия 14 под пуансон 6, которое в данной схеме прессования является выходным каналом. В конце хода, достигающего значения (2b+а), пуансон 2 фиксируется, а дальнейшее прессование заготовки осуществляется пуансоном 8 на величине хода (2b+а), после чего он фиксируется. Выталкивание заготовки из канала пуансона 6 осуществляется пуансоном 3.
Схема прессования с тремя очагами деформации осуществляется следующим образом. Приемный канал - отверстие 10 под пуансон 2. Пересекающиеся каналы необходимой для данной схемы прессования конфигурации образуются при заходе в матрицу пуансонов 3, 4 и 9 на расстояние (b), пуансонов 6 и 7 на расстояние (2b+а). При заходе пуансона 2 в матрицу на расстояние (а) он фиксируется. Металл заготовки заполняет канал матрицы до упора в пуансон 4, затем прессование продолжается пуансоном 9 на величине хода (а+b), в конце которого пуансон 9 фиксируется. Следующий этап прессования происходит за счет движения пуансона 3 на величину хода (а+b), одновременно пуансон 6 совершает обратный ход на такое же расстояние, создавая противодавление. Положение пуансона 6 фиксируется при его заходе в матрицу на расстояние (b). Дальнейшее направление движения заготовки возможно лишь в сторону отверстия 13 под пуансон 5. Суммарно заготовка проходит через три очага деформации, трижды изменяя направление течения, тем самым накапливая деформацию за счет трехкратного сдвига.
Прессование с четырьмя очагами деформации выполняется следующим образом. Приемный канал - отверстие 10 под пуансон 2, выходной -отверстие 15 под пуансон 7. Канал образуется при заходе пуансонов 3, 4, 5, 6 и 9 в матрицу на расстояние (b), пуансона 7 - на расстояние (2b+а). После захода в матрицу пуансона 2 на расстояние (b) он фиксируется и прессование продолжается пуансоном 9 на ходе (а+Ь) с его фиксацией в конце хода. Затем пуансоны 7 и 8 совершают обратный ход на расстояние (а+Ь), пуансон 2 проходит расстояние (а+Ь) для замыкания канала. Далее прессование продолжается пуансоном 5 на ходе (а+Ь), затем пуансоном 2 заготовка выталкивается в отверстие 15 под пуансон 7, являющееся для данной схемы прессования выходным каналом.
Введение в конструкцию матрицы 1 дополнительного канала 34, выполненного под разными углами к сопрягаемым каналам, способно фактически удвоить количество возможных схем прессования заготовки по разным маршрутам, реализуемым без ее удаления из матрицы после очередного прохода. При необходимости в заявленном устройстве может быть реализована маршрутизация прессования, представляющая любую комбинацию из вышеперечисленных вариантов. Техническая новизна еще одного разработанного многоканального устройства защищена патентом РФ на изобретение № 2570606 [150]. Достигаемый технический результат - вариативность схем прессования, углов пересечения каналов и маршрута прессования (либо без поворота заготовки вокруг ее продольной оси, либо с поворотом заготовки вокруг ее продольной оси на 180, либо чередование двух предыдущих) без извлечения заготовки из матрицы после очередного прохода.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для канального углового прессования, содержащем пуансоны и матрицу с п 2 пересекающимися прямолинейными каналами, один канал выполнен основным с двумя входными отверстиями, предназначенными для введения пуансонов, а остальные каналы выполнены каждый с одним входным отверстием, предназначенным для введения пуансона, и с другим отверстием, сопряженным с основным каналом, при этом число пуансонов р=п+1.
На рисунке 5.9 схематично изображено устройство канального углового прессования для n=4, реализующее заданное количество очагов деформации при канальном угловом прессовании заготовки за необходимое число проходов до накопления деформации без извлечения заготовки из матрицы после очередного прохода.