Разработка и исследование непрерывного процесса прессования - волочения с целью получения изделий с ультрамелкозернистой структурой

На правах рукописи

 

 

 

 

АЗБАНБАЕВ ЭЛЬДАР МУРАТОВИЧ

 

 

 

РАЗРАБОТКА  И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ – ВОЛОЧЕНИЯ С  ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ С  УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ

 

 

 

Специальность 6M0712 - Машиностроение

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание академической степени

магистра техники и  технологии

 

 

 

 

 

 

 

Темиртау 2011

Работа выполнена на кафедре «Обработка металлов давлением» Карагандинского государственного индустриального университета

 

 

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических  наук,

профессор     Найзабеков Абдрахман Батырбекович

 

 

РЕЦЕНЗЕНТ:

кандидат технических  наук,

доцент     Куликов Виталий Юрьевич

 

 

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: РГП Карагандинский государственный индустриальный университет» (г. Темиртау)

 

 

Защита диссертации  состоится 4 июля 2011 г. в 10:00 часов на заседании Государственной аттестационной комиссии Карагандинского государственного индустриального университета по адресу: 101400, г. Темиртау, пр. Республики, 1, каф. ОМД, ауд. 132

 

 

С диссертацией можно  ознакомиться на кафедре ОМД КГИУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ученый секретарь 

диссертационного совета     Иванов С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность  работы. В связи с ростом цен на энергию и сырьевые ресурсы возрастает роль энергосберегающих технологий получения металлопродукции с относительно высокими качественными характеристиками, такие как механические и физические свойства металла. Эффект энергосбережения достигается рациональным использованием новейших методов обработки металлов как на промежуточной, так и на конечной стадии производства. Одним из главных направлений в области использования энергосберегающих технологий являются технологии интенсивной пластической деформации (ИПД).

За последние несколько  десятилетий, технологии (ИПД) привлекают большой интерес для производства ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов. УМЗ материалы – поликристаллические материалы со средним размером зерна менее 10 мкм. Для объемных УМЗ материалов предъявляются требования высокой изотропности, однородности с равноосными зернами, границы разориентировки которых, преимущественно высокоугловые. При этих условиях достигается высокая прочность при высокой пластичности обрабатываемого материала.

В условиях дефицита энергетических и сырьевых ресурсов актуальна проблема энергосберегающих технологий. Проблема ресурсосберегающих способов получения материалов со свойствами, сочетающие одновременно высокую прочность и пластичность, в условиях использования относительно простых и недорогих устройств, позволяющих затрачивать минимально возможное количество времени при обработке изделий является весьма актуальной. Уже известны некоторые результаты применения методов ИПД в тяжелой промышленности, позволившие снизить затраты на энергетические ресурсы на 20-30%.

Традиционные технологии деформирования, такие как волочение и холодная прокатка также сопровождаются измельчением структуры. Однако, в основном, субструктура имеет ячеистый характер с зернами удлиненными в направлении волочения или прокатки, также, содержащая высокую долю малоугловых границ. С другой стороны, материал, полученный ИПД, содержит зернистую структуру, с относительно мелкими зернами, с высокими углами разориентировки. Данный факт также благоприятно сказывается на динамике рекристаллизации, и таким образом на термостабильности. К тому же, часто ИПД проходит при низких температурах (окружающей среды), что делает  ее более привлекательной.

Наиболее успешным методом  ИПД на сегодняшний день является метод равноканального углового прессования/экструзии (РКУП/РКУЭ), разработанный в 1970 гг. Данный процесс имеет огромный потенциал для получения УМЗ структуры с однородной равноосной структурой с границами зерен, в которых преобладает высокоугловая разориентировка. При этом методе заготовка сохраняет изначальные размеры. Также важно отметить то, что для получения заданной структуры, необходимо выбирать определенные маршруты между проходами. Однако недостаток процесса состоит в его дискретности, т.е. невозможности обработки изделий относительно большой  длины из-за потери устойчивости давящим пуансоном. Следовательно, есть возможность устранения данного недостатка и вести процесс непрерывно. До недавнего времени стали известны некоторые попытки, в рамках которых удалось решить, частично, данную проблему, посредством таких процессов, как равноканальное угловое волочение РКУВ, непрерывное рифление и правка, аккумулирующая прокатка. Эти процессы основаны на традиционном методе прокатки. В данной работе, сделаны попытки совмещения двух этих процессов: равноканального углового прессования и равноканального углового волочения. Предполагается, что этот метод позволит реализовывать сдвиговую деформацию, близкую к РКУП при этом сохраняется непрерывность процесса, как при волочении.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

• оценка возможности совмещения способов РКУП и РКУВ;
• сравнение характеристик предложенного процесса РКУП-В с существующими процессами РКУП и РКУВ на основе математического конечно-элементного моделирования;
• выбор оптимальных параметров совмещенного процесса равноканального углового прессования – волочения РКУП-В;
• исследование напряженно-деформированного состояния при РКУП-В;
• исследование влияния количества проходов, угла пересечения каналов и закруглений на стабильность процесса РКУП-В и возможность получения требуемых свойств обрабатываемого изделия.

Научная новизна.

1. Предложен и научно обоснован новый совмещенный способ равноканального углового волочения с традиционным волочением, также в рамках работы предложен совмещенный способ прессования – волочения, позволяющий деформировать металлические изделия различного поперечного сечения без изменения поперечного сечения;
2. Разработана технология равноканального углового волочения;
3. Получено регрессионное уравнение получения ультрамелкозернистой сруктуры при совмещенном процессе равноканального углового волочения и традиционного волочения;
4. С привлечением методов статистической обработки результатов эксперимента достигнута область оптимума условий совмещенного процесса РКУВ с традиционным волочением.

Практическая значимость.

1. Разработана и опробована технологическая схема производства алюминиевой проволоки марки А0 с ультрамелкозернистой структурой; отличающейся тем, что процесс равноканального углового волочения включается в производственный процесс на уровне волочения и обеспечивающий повышенные технологически свойства проволоки.
2. Разработана рабочая конструкция инструмента для реализации процесса РКУВ, позволяющий формировать УМЗ структуру проволоки.
3. Показана эффективность процесса по сравнению с обычным волочением.

Реализация  работы.

Основные идеи и результаты работы используются при разработке новых технологических схем деформации волочением на стане В – 1/550М.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на Международном научно-практическом семинаре «Уральская научно-педагогическая школа по обработке металлов давлением имени А.Ф. Головина. Модернизация и инновации в металлургии и машиностроении» (г. Екатеринбург, 2011 г); Ежегодных научно-технических конференциях РГП КГИУ (г. Темиртау, 209-2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 научных публикации.

Структура и  объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, изложена на 100 страницах машинописного текста, иллюстрирована 00 рисунком, содержит 00 таблиц, 00 литературных источников.

 

СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ

 

Во введении показана актуальность, сформулированы цели и задачи настоящей работы, отмечены ее научная новизна, практическая значимость.

В первой главе рассмотрены существующие методы ИПД, реализующие сдвиговую деформацию. Приводится анализ результатов теоретических и практических исследований процесса РКУП, как основополагающего в методах ИПД. Описывается материал, подвергающийся улучшению, его основные характеристики, достоинства и недостатки. Проводится обзор существующих методов математического описания процесса формообразования при РКУП и РКУВ.

Во второй главе приведены результаты теоретического исследования процесса РКУВ, а также результаты компьютерного моделирования процессов РКУВ, РКУП и РКП-В.

Процесс РКУВ можно сопоставить  с процессом изгиба полосы при растяжении, данный механизм подробно описан Хиллом [29] (рисунок 2.1).

 

Рис. 1 – Схема напряженно-деформированного состояния при изгибе полосы с  растяжением; σ_r – радиальные напряжения; σ_θ – тангенциальные напряжения; ε _r – радиальные деформации; ε _θ – тангенциальные деформации

 

Здесь выражения компонент  напряжений и деформаций определено в зависимости от зона расположения, то есть при рассмотрении задачи в  плоской постановке, рассматриваемую  область пластической деформации можно  разделить на зоны сжатия и растяжения, линия, разделяющая эти области называется нейтральной линией. Здесь компоненты напряжений выглядят следующим образом:

 

            (c ≤ r ≤ b) в зоне растяжения  (1)

 

            (a ≤ r ≤ c) в зоне сжатия   (2)

 

 В первом приближении  принимается, что нейтральная  линия совпадает с осевой линией. Но при приложении нагрузки  нейтральное сечение перемещается к внутренней стороне полосы. Это значит, что толщина полосы тем самым должна уменьшаться. Пользуясь выражением, приведенным в [29]:

 

,    (3)

,    (4)

 

в итоге

 

.    (5)

 

Таким образом, приложение нагрузки влечет утонение полосы. При  вариации нагрузки Т, и следовательно переменной р, с внутренним радиусом а, вышеприведенное выражение (5) выражает взаимосвязь параметров t/a.

Для следующих исходных параметров: t=7мм, p= 16 МПа, 2k=23,1 МПа, зависимость утонения при различных значениях переменной а (внутренний радиус) будет выглядеть следующим образом (рисунок 2).

 

 

Рисунок 2 – Зависимость относительного изменения толщины полосы от величины внутреннего радиуса

 

Как видно из графика, утонение полосы тем больше, чем  меньше радиус. Данный вывод сходится с результатами математического моделирования в первом приближении.

При исследовании процесса РКУВ проведено моделирование в  программном комплексе виртуального моделирования формообразующих процессов Deform-3D. Изначальная конфигурация модели приведена на рисунке 3. Численные значения параметров приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Факторы, используемые при моделировании РКУ волочения в среде Deform-2D3D

Факторы	Значение факторов
	угол  пересечения каналов,  град	Параметр К, мм	радиус  скруглений кромок  каналов, мм
Основной уровень	135	7	4
Интервал варьирования	10	3	3
Верхний уровень (+1)	145	10	7
Нижний уровень (-1)	125	4	1

 

За основные варьируемые  геометрические параметры как при  РКУВ, так и при РКУП примем углы стыка каналов θ, ^о. При задаче радиусов скругления стыков должно обеспечиваться следующее соотношение:  d/r=1 [20], d – диаметр заготовки. Из работы [5] известно что однородность деформированного и напряженного состояния обеспечивается при соблюдении равенства, типа К=d, где К – расстояние между осями входного и выходного канала равноканальной ступенчатой матрицы. При соблюдении данных соотношений при геометрическом построении определится длина промежуточного канала l₂. Для проверки данного апостериорного утверждения возьмем каждый из параметров при определенном интервале варьирования, приведенные данные в таблице 1.

 

 

Рисунок 3 – Схема основной конфигурации матрицы для РКУП и РКУВ

 

При моделировании процесса РКУВ взята пластичная изотропная модель  материала алюминия А0 (1100 – американская система обозначений алюминиевых сплавов [43]).