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

 

Данные для процесса РКУВ приведены на графиках рисунка 1.11 и в таблице 14.

а

б        в

Рисунок 14 – Зависимость механических свойств алюминиевых образцов после процесса РКУВ в зависимости от степени деформации: а – предела прочности σ_п, МПа; б – предела текучести σ_т, МПа; относительного удлинения d, %

Таблица 6 - Результаты математической обработки данных механических испытаний после процесса РКУВ

Параметр	σп, МПа	σт, МПа	d, %
Среднее значение	112,02	118,59	28,27
Стандартное отклонение	27,50	26,84	14,49
Стандартное отклонение среднего	6,67	6,51	3,51
Критерий Стьюдента, t - критерий	2,12	2,12	2,12
Доверительный интервал	0,32	0,33	0,60
Относительная ошибка определения	0,28	0,27	0,87

 

Сравнительный анализ данных механических испытаний образцов при волочении, совмещенном процессе РКУВ-волочение и РКУВ представлен на рисунке 15.

 

а

б

 

Рисунок 15 - Сравнительный анализ данных механических испытаний образцов при волочении, совмещенном процессе РКУВ-волочение и РКУВ (суммарная степень деформации 23%); а – σ_п, σ_т, МПа; б – δ, %

 

Как видно из графика  рисунка 15 при одной и той же суммарной степени деформации 23%,  при РКУВ наблюдаются наибольшие значения механических характеристик.

По результатам математической обработки результатов получены следующие линейные модели параметров оптимизации (σ_п, σ_т, МПа; δ, %):

 

;

;

.

 

Исходя из цели исследования методом крутого восхождения по поверхности отклика определены оптимальные при получении ультрамелкозернистой структуры, исходя из определенных значимых факторов оптимальными являются угол пересечения каналов 153° и степень обжатия при волочении в 17,4%.

ОСНОВНЫЕ  ВЫВОДЫ

 

 

По итогам выполненной  исследовательской работы в соответствии с поставленными целью и задачами выполнены обширные экспериментальные работы с привлечением новейших компьютерных технологий виртуального моделирования процессов формообразования Deform.

В соответствии с поставленными  задачами исследования, была проделана экспериментальная работа при исследовании процесса РКУВ алюминиевой проволоки марки А0.

На начальном этапе  проведен анализ научно-технической  и патентной литературы в области  процессов, реализующих интенсивную  пластическую деформацию. В частности были проанализированы достижения в области деформирования металлических изделий с применением равноканального углового инструмента, который позволяет вести деформацию без значительного изменения размеров заготовки. На данный момент ведутся интенсивные исследования в мировом масштабе в данной области. Основное внимание было акцентировано на непрерывных процессах прессования, как традиционного, так и равноканального углового. На основе сделанных обобщений и выводов поставлены цели и задачи дальнейших исследований.

Следующим этапом работы с целью исследования стабильности процесса РКУВ в ступенчатом инструменте было проведено теоретическое исследование процесса с последующим построением модели явления утонения с привлечением уравнений теории пластичности, при проверке выдвинутых гипотез с привлечением компьютерных технологий и в частности программного комплекса моделирования формообразующих процессов Deform 3D выполнено моделирование совмещенного процесса РКУВ и традиционного волочения. По результатам моделирования проведена оценка утонения алюминиевой проволоки по проходам, исследовано напряженно-деформированное состояние в процессе РКУВ в частности и совмещенного процесса. Предложена инновационная конструкция для реализации интенсивной пластической деформации

На основе полученных данных анализа научно-технической  и патентной литературы, а также математического моделирования выполнено планирование эксперимента, в соответствии с которым выбраны основные факторы процесса РКУВ (степень деформации, скорость волочения, температура волочения, угол пересечения каналов рабочей оснастки, радиусы скругления каналов, конечный диаметр заготовки, условия на контакте между поверхностью каналов матрицы и заготовки), из числа которых выбраны варьируемые (степень деформации, температура проволоки, угол пересечения каналов). Также назначены интервалы варьирования каждого фактора. В качестве параметров оптимизации выбраны микроструктура и механические свойства испытанной проволоки (предел прочности, предел текучести и относительное удлинение). В соответствии с планом работы, в потоке волочильного стана В-1/550 М установлена нагревательная трубчатая печь Nabertherm, которая позволяет вести нагрев длинномерных заготовок, что и требовалось по условиям эксперимента. Нагрев осуществляли до температуры ≈200°С, что выше температуры рекристаллизации алюминия. Наряду с температурным нагревом, осуществляли деформирование холодной проволоки, с целью проверки влияния данного на процесс РКУВ. Степень деформации на конечной стадии процесса РКУВ выбирали исходя из конечного среднего диаметра проволоки после деформации РКУВ и конечного диаметра проволоки на выходе из волоки. Дальнейшим этапом работы являлась математическая обработка результатов эксперимента.

По результатам математической (статистической) обработки экспериментальных данных построена линейная математическая модель процесса РКУВ-волочение, с целью получения ультрамелкозернистой структуры. Приведена методика расчета математической модели. Исходя из данной методики, с использованием компьютерных средств автоматического расчета массива данных Microsoft Excel оценили ошибку опытов и эксперимента, проверили дисперсии (ошибки) на однородность распределение с использованием критерия Кохрена; рассчитали коэффициенты линейной модели и оценили их значимость, незначимые коэффициенты были исключены из расчета, при помощи проверки по критерию Стьюдента. В рамках данного раздела неотъемлемой задачей является адекватность модели в целом. В данной работе при проверке адекватности модели использовали критерий Фишера, как один из наиболее эффективных. В заключительной части раздела с применением метода крутого восхождения пришли к оптимальным условия процесса РКУВ-волочения, с целью получения ультрамелкозернистой структуры, где наиболее оптимальным и значимым фактором оказался угол пересечения каналов матрицы 153°С и степень деформации при обычном волочении 17,4%.

В ходе выполнения экспериментальных  работ на волочильном стане В-1/550 М достигнуты основные результаты по реализации совмещенного процесса РКУВ с традиционным волочением. При реализации опытов с целью проверки возможности осуществления протягивания алюминиевой проволоки через равноканальную ступенчатую матрицу были выполнены четыре прохода, при этом обрывности не наблюдалось ни на начальных стадиях деформирования, ни на последующих проходах.

Было принято решение  о применении схемы деформации с  вращением проволоки между проходами  на 90 °. Это позволило получать на выходе более совершенную геометрию, для последующей деформации в  конической волоке.

В потоке стана была установлена  нагревательная трубчатая печь Nabertherm с целью подогрева проволоки до температуры 192,5 °С. Волочение также осуществлялось при комнатной температуре.

По реализации всех опытов образцы были тщательно зачищены и отправлены на обрезку. После шлифования и полирования образцы были протравлены в растворе едкого натра. В результате металлографического исследования выявлена структура (границы зерен) алюминия А0. В соответствии со стандартными методиками определены размеры зерен и дана характеристика условий пребывания образцов при деформации. В итоге получено зерно средним минимальным диаметром 5мкм.

Также образцы были подвергнуты  механическим испытаниям на растяжение. Полученные данные позволили определить основные характеристики пластичности и прочности алюминиевой проволоки.

В результате выполненного математического анализа полученных данных, посредством использования программного комплекса автоматизированного расчета Microsoft Excel получены данные об оптимизации процесса РКУВ. Встроенный пакет дисперсионного анализа позволил сократить время расчета.

Градиентным методом  крутого восхождения была достигнута область оптимума, в которой возможно достижение необходимого результата, а именно получения ультрамелкого  зерна (менее 10 мкм). По результатам расчета получена линейная математическая модель. Приведена методика расчета математической модели. Исходя из данной методики, с использованием компьютерных средств автоматического расчета массива данных Microsoft Excel оценили ошибку опытов и эксперимента, проверили дисперсии (ошибки) на однородность распределение с использованием критерия Кохрена; рассчитали коэффициенты линейной модели и оценили их значимость, незначимые коэффициенты были исключены из расчета, при помощи проверки по критерию Стьюдента. При описании ПО Y3 (δ) % незначимыми оказались все коэффициенты, при проверке доверительным интервалом их значения не вошли в данный диапазон значений. Из расчета данный параметр был исключен.

Неотъемлемой задачей  является проверка адекватности модели в целом. В данной работе при проверке адекватности модели использовали критерий Фишера, как один из наиболее эффективных. В заключительной части раздела с применением метода крутого восхождения пришли к оптимальным условия процесса РКУВ-волочения, с целью получения ультрамелкозернистой структуры, где наиболее оптимальным и значимым фактором оказался угол пересечения каналов матрицы 153° и степень деформации при обычном волочении 17,4%.

Также необходимо отметить тот факт, что при анализе данных механических свойств образцов алюминия, и сравнительном анализе процессов волочения, совмещенного процесса РКУВ-волочение и РКУВ при одной и той же суммарной степени деформации 23% наблюдалось понижение механических характеристик после процесса РКУВ, наибольшие значения выявлены при реализации данного процесса. Связь вида деформации (монотонная, знакопеременная) требует дальнейших исследований данного процесса в сочетании другими видами обработки металлов давлением.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на проверку воздействия кинематических параметров процесса, и энергосиловых. В рамках данной работы за варьируемые параметры были взяты угол пересечения каналов матрицы, температура заготовки и степень деформации при волочении.

 

 

 

 

 

Основные положения  диссертации опубликованы в работах

 

 

 

 

2. Найзабеков А.Б., Азбанбаев Э.М. Математическое моделирование процесса равноканального углового волочения в ступенчатом инструменте. Технология производства металлов и вторичных материалов: Республиканский научный журнал / Карагандинский государственный индустриальный университет. – Темиртау: Изд-во Карагандинского государственного индустриального университета, 2011. С.178-186.
3. Найзабеков А.Б., Азбанбаев Э.М. Математическое моделирование процесса равноканального углового волочения в ступенчатом инструменте. Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов II Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых / Юргинский технологический институт. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. С. 250-255.