Технологические аспекты углового равноканального прессования со скручиванием

УДК 621.77

Вайцехович С.М., Кузин А.И., Овечкин Л.М.

Vaytsekhovich S.M., Kuzin A.I., Ovechkin L.M.

Технологические аспекты углового равноканального прессования со скручиванием

Process Aspects of Equal Channel Angular Torsion Pressing

Рассмотрено влияние сложения деформации от простого сдвига (угловое прессование) и деформации чистого сдвига (скручивание) на механические свойства конечного продукта и повышение производительности прессового оборудования. Предложено опытное устройство и технология для многоэтапного пластического деформирования металлов и сплавов.

The effect of the addition of simple shear strain (angular pressing) and pure shear strain (torsion) on the mechanical properties of the final product and the throughput increasing of pressing equipment is considered. An experimental device and technology for multistage plastic straining of metals and alloys is proposed.

Ключевые слова: обработка металлов давлением, пластическая деформация, сдвиг, течение металла, штамповая оснастка, матрица, пуансон, РК-прессование.

Keywords: metal forming, plastic strain, shear, metal flow, die tooling, die, punch, equal channel pressing.

Введение

Совершенствование технологических процессов обработки металлов давлением (ОМД) исторически идёт по пути сочетания различных методов формообразования заготовки: обжатия с волочением через вращающиеся валки (поперечно-винтовая прокатка), обжатия на вращающемся цилиндре (ротационная вытяжка), вытеснения металла в глухую или сквозную полость ручья штампа с «плавающими» стенками (обратное выдавливание с активными силами трения), экструзии металла через наклонные каналы с одинаковой площадью поперечного сечения с наложением противодавления. Известно, что интенсивная пластическая деформация (ИПД) направлена на изменение дислокационных структур [1, 2]. В случае сохранения целостности конечного продукта существенно повышается качество, кроме того, происходит уменьшение количества переходов силовой нагрузки, что повышает производительность оборудования. Одним из способов улучшения кристаллического строения металлов в ОМД является равноканальное угловое прессование (РКУП), в основе которого лежит простой сдвиг, обеспечивающий модифицирование структуры металла [3]. Например, после четырех проходов РКУП зерно измельчается до средней величины от 20 мкм до 0,5 мкм.

Разработка технологии немонотонного деформирования

Для больших пластических деформаций режим деформации зависит от распределения скоростей деформации между линиями скольжения континуума и может варьироваться от чистого до простого сдвига. В качестве нормализованной скорости жесткого вращения вводится скалярный инвариантный и безразмерный коэффициент деформации. На этой основе простой сдвиг обеспечивает оптимальный режим для модификации структуры и измельчения зерна, в то время как чистый сдвиг является «идеальным» для операций формования.

Сочетание технологического процесса РКУП с противодавлением со скручиванием характеризуется складыванием деформации сдвига от скручивания (чистый сдвиг) с деформацией сдвига от углового равноканального прессования (простой сдвиг) и приводит к полной перекристаллизации структуры материала [4, 5], и, в свою очередь, – к повышению физико-механических свойств конечного продукта [6, 7].

На рис. 1 представлена пресс-форма для РКУП со скручиванием, на рис. 2 – схема рабочей зоны пресс-формы. Обозначения: – угол между каналами; – угол разворота центрального веера; d – диаметр каналов; a – высота активной зоны очага деформации; b – ширина активной зоны очага деформации; О₁О₂ – линия пересечения каналов, лежащая в плоскости сдвига.

Рис. 1. Схема пресс-формы для РКУП со скручиванием

Рис. 2. Схема рабочей зоны пресс-формы

Пресс-форма для РКУП со скручиванием содержит корпус 1, в котором размещена составная матрица 2–3, состоящая из двух полуматриц – верхней 2 и нижней 3. Верхняя полуматрица 2 имеет вертикальный 4 и горизонтальный 5 каналы, нижняя полуматрица 3 – горизонтальный боковой канал 6, при этом боковые каналы 5 и 6 имеют общую геометрическую ось. В корпусе 1, осесимметрично каналам 4, 5 и 6, выполнены полости, в которые вмонтированы вертикальная втулка 7 и боковые втулки 8, 9. Во втулках 7, 8 и 9 внутренние отверстия выполнены осесимметричными и являются продолжением осей вертикального 4 и бокового 5 каналов верхней полуматрицы 2, а также оси горизонтального канала 6 нижней полуматрицы 3.

В осецентрированных отверстиях втулок 7, 8 и 9 размещены пуансоны 10, 11 и 12 с возможностью поворота вокруг их продольных осей.

Верхний пуансон 10 под действием осевой нагрузки P_z0, перемещаясь вниз, имеет возможность проталкивать заготовку 13 из вертикального канала 4 в горизонтальный боковой канал 6, при этом на боковой горизонтальный пуансон 12 прикладывают усилие противодавления Р_ПР посредством силового гидроцилиндра, работающего от гидростанции и управляемого системой ЧПУ. Наличие противодавления предохраняет деформирующуюся заготовку 13 от разрушения как в процессе прессования, так и на выходе из бокового канала полуматрицы 3.

Пуансон 11 бокового канала 5 предназначен для передачи отформованной заготовке 14 давления выталкивания Р_ВЫТ (рис. 1) в целях перемещения последней в горизонтальный канал 6, а затем – на выход из пресс-формы в приёмный лоток.

На внешних образующих вертикальной втулки 7 и боковых втулок 8, 9 закреплены зубчатые колёса для передачи им вращательного момента (М_КР) от мотор-редукторов посредством приводов 15, 16 и 17.

Наружные торцы боковых, горизонтальных пуансонов 11 и 12 соединяют со штоками плунжеров исполнительных элементов 15, 16 и 17 пневмогидроцилиндров, управляемых системой числового программного управления (ЧПУ).

Приводы вращения валов выполнены известным образом, оснащены мотор-редукторами, управляемыми системой ЧПУ. Связь между втулками и пуансонами реализуется, например, путём использования направляющих шлицевых пазов и шпонок.

Конструктивное оформление радиусов пересечения каналов 4, 5 и 6 выбирается, исходя из компьютерного моделирования с расчётом неравномерности износа рабочих кромок каналов и формирования заданной траектории течения металла в каналах составной матрицы 2–3. Здесь значительную роль играют величина радиусов сопряжения вертикального и бокового каналов 4, 5 и 6 матрицы 2–3 и условия перехода от одного радиуса к другому r_ВН →R_Н [8].

Оптимальными отношениями радиусов , сглаживающих перегиб кромок сквозных отверстий каналов 4, 5 и 6 сборной матрицы 2–3 при угле разворота 90°, приняты следующие: внутренний радиус пересечения каналов сборной матрицы составляет r_ВН=0,25d, внешний – R_H=0,3d, где d – диаметр сквозных каналов сборной матрицы (рис. 2).

Из условия равновесия сил, действующих на материал заготовки во входном и выходном каналах, получены выражения, определяющие осевое давление P_z0 и усилие противодавления Р_пр (рис. 1).

, (1)

где µ – коэффициент трения; р – гидростатическое давление на линии О₁О₂.

Относительный угол скручивания ß в границах упругих деформаций для заданного сечения заготовки зависит от крутящего момента М_КР и расстояния l до плоскости приложения нагрузки:

, (2)

где j₀ – геометрический полярный момент инерции; l – длина скручиваемого участка; G – модуль сдвига; w – угловая скорость поворота направляющей втулки.

Линейная и угловая скорости связаны между собой соотношением:

. (3)

Для построения кривых упрочнения используют образцы с цилиндрической рабочей частью. При испытаниях регистрируют угол поворота направляющей втулки и соответствующий ему крутящий момент М_КР.

Искомая функция – касательное напряжение:

, (4)

где  – максимальное касательное напряжение;  – максимальный сдвиг.

Предел прочности при кручении находят по формуле П. Людвика:

, (5)

где  – сопротивление деформации при скоростях деформации  и  соответственно; n – константа, определяемая экспериментально.

Интенсивность деформаций в произвольной точке образца  связана с координатой этой точки r соотношением:

, (6)

где  – интенсивность деформаций на поверхности образца; .

Предельное число циклов n_p равноканального деформирования заготовки определяется уравнением:

(7)

где  – предельная деформация материала заготовки на сдвиг; C – варьируемый параметр,

В результате ИПД металлов размеры их структурных элементов (кристаллитов, фрагментов, границ раздела и др.) уменьшаются и достигают значений, характерных для субмикроматериалов (1,0–0,1) мкм и нано (0,1–0,01) мкм. Вследствие этого сильно деформированные металлы приобретают качественно новые свойства, которые представляют практический интерес: они обладают аномально высокой пластичностью в сочетании с большой прочностью. Управление процессом РКУП в автоматическом режиме реализуется с помощью системы ЧПУ, построенного по двухуровневому принципу:

• оперативная система ЧПУ, например WINDOWS NT/2000/XP, позволяет наиболее полно использовать преимущества данной системы без привлечения дорогих программных средств;
• исполнительная система ЧПУ предназначена для решения задач интерполяции, управления приводами и другими устройствами электроавтоматики.

Система ЧПУ адаптирована к пресс-форме с помощью программы электроавтоматики, разветвленной системы параметров, дополнительных программных модулей, учитывающих специфику и тип пресс-формы.

Модуль управления (МУ) пресс-формы имеет базовое программно-математическое обеспечение (ПМО) с открытой архитектурой на основе СОМ-технологии (Component Object Model). Это позволяет ускорить процесс разработки и модификации ПМО МУ за счет использования уже отработанных решений, а также расширить технологические возможности МУ непосредственно самим заказчиком, не прибегая к услугам разработчика.

Система электрооборудования и ЧПУ пресс-формы для РКУП при необходимости имеют возможность обеспечить нагрев заготовки, согласованное перемещение исполнительных механизмов при осуществлении процесса прессования по заданной программе. Комбинированное применение в конструкции пресс-формы электромеханических и гидроприводов отвечает современным мировым тенденциям в производстве прессового оборудования и позволяет реализовать преимущества обоих видов приводов.

Технологический процесс состоит из многоэтапного, последовательного перемещения заготовки из вертикального канала под действием пуансона 10 в горизонтальный канал 12, расположенный под углом 90°, с одновременным скручиванием заготовки в зоне деформации и созданием усилия противодавления на выходе бокового канала.

Пресс-форму (рис. 1) устанавливают на стол гидравлического пресса, верхний пуансон 10 закрепляют на ползуне пресса, контейнер – на столе, боковой пуансон 12 – на устройстве противодавления.

Исходная заготовка из предварительно спрессованных алюминиевых гранул плотностью (0,76-0,8) р_ТЕОР вставляется в направляющую втулку 7 вертикального канала 4 полуматрицы 2.

Боковой пуансон 11 вводят в канал 5, при этом его рабочий торец закрепляют на уровне образующей вертикального канала 4 так же, как и рабочий торец пуансона 12 (рис. 2).

Заготовку 13 помещают в направляющую втулку 7 канала 4 полуматрицы 2. Ползуном пресса перемещают верхний пуансон 10 в канале 4 втулки 7 до контакта с заготовкой 13.

Опускают ползун пресса и пуансоном 10 начинают перемещать заготовку 13 из вертикального канала 4 в горизонтальный боковой канал 6.

Величину бокового давления в канале 6 рассчитывают согласно методике [8]:

(8)

где – коэффициент бокового давления, определяемый из уравнения: , где µ– коэффициент Пуассона.

В процессе деформации заготовки проводится регулировка скорости перемещения бокового пуансона 12 из условия [9]:

, (9)

где – площадь поперечного сечения заготовки и относительная плотность заготовки в вертикальном канале 4; – площадь поперечного сечения и относительная плотность заготовки в боковом канале 6; v₁₀– скорость перемещения вертикального пуансона 10.

Осевое усилие Р_z0 составило 400 Мпа. Боковое давление Р_БОК на пуансоне 10 с учётом коэффициента бокового давления (равного  = 0,51 ) находилось в диапазоне min–max, с учётом формулы (8):

Линейную скорость бокового пуансона 12 определяли через угловую скорость по соотношению (3), а величину накопленной деформации – по уравнению (18).

Скорость перемещения верхнего пуансона 10 составляла v₆=12,5 мм/с скорость перемещения бокового пуансона 12 (при условии полного заполнения заготовкой 13 образующего канала) определялась из формулы (9), откуда

Одновременно с проталкиванием заготовки в боковой канал начинается вращение верхней втулки 7 с угловой скоростью w₇ и вращение боковой втулки 9 с угловой скоростью w₉.

В результате осадки заготовки внутри неё и на её поверхности возникают распорные усилия, создающие на стенках втулки 7 трение Т₇, а на стенке составной матрицы 3 втулки 9 – трение Т₉. Распорные усилия, суммируясь, дают возможность послойного перемешивания материала заготовки, расположенной в плоскости сдвига по линии О₁О₂, и измельчения зерна, формирующего структуру материала заготовки.

Вращение боковой втулки 9 заканчивают после контакта торца верхнего пуансона 10 с плоскостью сдвига О₁О₂. Затем включают привод 16 и перемещают продеформированную заготовку 14 до контакта рабочего торца бокового горизонтального пуансона 11 с боковым каналом 6.

Прессование заканчивается, когда верхний пуансон 10 начинают контактировать с образующей бокового канала 6. Ползун пресса поднимают на высоту, позволяющую извлечь верхний пуансон 10 из направляющего вала 7.

В результате РКУП со скручиванием происходит суммирование деформации чистого сдвига  и деформации простого сдвига :

, (10)

. (11)

Суммарная деформация после аппроксимации имеет вид:

 (12)

где – показатель напряжённого состояния; ; – коэффициент чувствительности пластичности к изменению схемы напряжённого состояния; показатель i – номер этапа немонотонного деформирования (1, 2 …).

Применительно к первому этапу прессования при (i = 1) и деформация равноканального углового прессования равна ¬ В полулогарифмических координатах – тангенсы угла наклона прямых построены в координатах :

; (13)

. (14)

Расчётное количество предельного числа циклов равноканального деформирования заготовки со скручиванием определяется по формуле:

. (15)

Решение уравнения (15) показывает, что количество циклов углового равноканального прессования со скручиванием заготовки из алюминиевых гранул АМг6 может быть ≤ 3. Извлечение заготовки 14 из пресс-формы для проведения повторного деформирования по методу [10] возможно в двух вариантах: – установка в канал 4 полуматрицы 2 новой заготовки 13. Данный вариант повышает производительность оборудования, но приводит к повышенному износу деформирующего инструмента (каналов 4, 6 и пуансонов 10, 12); – установка в канал 4 полуматрицы 2 подручных средств, по прочности в разы уступающих прочности заготовки 13. Данный вариант приводит к уменьшению производительности оборудования, но повышает стойкость инструмента.

Первый вариант

В вертикальный канал 4 вставляют новую заготовку 13 или ранее продеформированную заготовку 14, при этом нижний торец указанной заготовки опирается в нижнюю область, образующуюся каналами 5, 6, а боковая поверхность заготовки – располагается между рабочим торцом бокового пуансона 11 и торцом продеформированной заготовки 14. Проводят РКУП – деформирование заготовки 13 по операции 1. При каждом последующем цикле РКУП заготовка, помещаемая в приемный вертикальный канал, проталкивает ранее продеформированную заготовку из бокового канала матрицы в приёмный лоток. Это создаёт дополнительный момент сопротивления, при котором возникает сила , складывающаяся из силы противодавления, создаваемой простым сдвигом, и силы трения от находящейся в выходном канале 6 заготовки 14:

(16)

где – предел текучести материала на сдвиг; – половина угла между осевым и боковым рабочими каналами.

Второй вариант

В канал 4 помещают пыж, состоящий из асбестоуглеродного материала и графитовой смазки. Затем опускают на некоторую высоту верхний пуансон 10 и боковым пуансоном 11 проталкивают заготовку 14 в приёмный лоток. На выходе бокового канала 6 нижней полуматрицы 3 устанавливают мундштук, поперечное сечение конусной части которого меньше поперечного сечения бокового канала 6 на величину, равную . Выбираемый диаметр канала зависит от величины упругого последействия материала продеформированной заготовки 14 таким образом, чтобы продеформированная заготовка свободно устанавливалась в канал 4. Применение бокового горизонтального пуансона 11 используется для выталкивания продеформированной заготовки 14, что позволяет повысить коэффициент полезного действия материала за счёт сохранения формы профиля заднего торца и идентичной ему форме тела продеформированной заготовки. При выталкивании продеформированной заготовки традиционным способом [11] конец её имеет конусную форму, который перед вторичным деформированием удаляют механическим способом. Продеформированную заготовку 14 на втором этапе снова устанавливают в вертикальный канал полуматрицы 2 по методике, описанной в [10]. Заготовку проталкивают из вертикального канала полуматрицы 2 в горизонтальный канал полуматрицы 3. Отформованную заготовку удаляют, как отмечено выше. По окончании деформирования алюминиевых гранул получен брикет внешними размерами и повышенными механическими характеристиками: плотностью ; относительным удлинением ; пределом прочности. Анализ экспериментальных данных показал, что за счёт совмещения процессов скручивания и угловой деформации происходит повышение механических характеристик материала заготовок с одновременным трёхкратным увеличением производительности оборудования. Создание дополнительного скручивания заготовки в зоне деформации позволяет существенно повысить качество деталей, а также в несколько раз повысить производительность прессового оборудования за счёт сокращения количества переходов с четырёх до двух (вместо четырёх переходов с изменением плоскости сдвига путём поворота заготовки вокруг продольной оси на угол 90° и последовательными изменениями направлений перемещений на угол 180° предложено два перехода со скручиванием). Техническим результатом разработанной пресс-формы является повышение КПД за счёт установки дополнительного канала для размещения в нём пуансона, предназначенного для перемещения отформованной заготовки из зоны действия верхнего пуансона.

Заключение

Разработаны опытное устройство и технология для многоэтапного пластического деформирования металлов методами РКУП. Использование дополнительного бокового канала для удаления из пресс-формы продеформированной заготовки позволяет, в зависимости от хрупкости материала, повысить коэффициент использования материала заготовки на 15÷25%.

Библиографический список

1. Segal, V.M.; Beyerlein, I.J.; Tome, C.N.; Chuvil’deev, V.N.; Kopylov, V.I. Fundamentals and Engineering of Severe Plastic Deformation. Nova: Amityville, NY, USA, 2010. – 542 p.
2. Angella, G.; Jahromi, B.E.; Vedani, M. A comparison between equal channel angular pressing and symmetric rolling of silver in the severe plastic deformation regime. Mater. Sci. Eng. A, 2013 559. – pp. 742–750.
3. Segal, V.M. Methods of Stress-Strain Analyses in Metal Forming. Ph.D. Thesis, Physical Technical Institute Academy of Sciences of Buelorussia. Minsk, Russia, 1974. – 183 p.
4. Bahadori, S.R.; Dehghami, K.; Bakhshanden, F. Microstructural homogenization of ECAPed copper through post-rolling. Mater. Sci. Eng. A 2013, 588. – pp. 260–264.
5. Михалевич В. М., Краевский В. А. Постановка и решение оптимизационных задач в теории деформируемости //Київський політехнічний інститут. Серія машинобудування. – Київ: НТУУ КПІ. – 2010. – С. 142-145.
6. Beygelzimer, Y.Y.; Varyuhin, V.N.; Synkov, S.G.; Sapronov, A.N.; Synkov, V.G. New technique for accommodation large plastic deformation using hydro-extrusion. Phys. Eng. High Press. 1969, 9. – pp. 109–110.
7. Hirsch, J.; Luke, K.; Hatherley, M. Overwiev No. 36: Mechanisms of deformation and development of rolling textures in plycrystalline f.c.c. metals–III. The influence of slip inhomogeneity and twinning. Acta Metall. 1988, 36. – pp. 2905–2927.
8. Овечкин Л.М. Повышение эффективности технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой на основе совершенствования процесса равноканального углового прессования: дис. канд. техн. наук.: 05.02.09.: защищена 17.04.2012: утв.28.12.2012 / Овечкин Леонид Михайлович. М., 2012. 143 с. Машинопись.
9. Вайцехович С.М. Пресс-инструмент для получения заготовок радиальным выдавливанием // Порошковая металлургия. – 1995. – № 1/2. – С. 110–118.
10. Вайцехович С.М., Афанасьев Н.Ю., Овечкин Л.М. Немонотонное деформирование пористых материалов. // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2020. – Том 21, №5 (238). – С. 209–218.
11. Вайцехович С.М., Власов Ю.В. Журавлёв А.Ю. Влияние многоэтапной сдвиговой деформации на прочностные и пластические свойства изделий из труднодеформируемых порошковых материалов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2020. – Том 18, №10. – С. 454–461.

Вайцехович Сергей Михайлович – канд. техн. наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник ФГУП «НПО «Техномаш» имени С.А. Афанасьева. Тел.: 8 (495) 689-95-87, доб. 95-87. E-mail: ask-mlad@mail.ru Vaytsekhovich Sergei Mikhailovich – Ph.D. in Engineering Sciences, Senior Researcher, Principal Researcher of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8 (495) 689-95-87, ext. 95-87. E-mail: ask-mlad@mail.ru

Кузин Анатолий Иванович – д-р техн. наук, первый заместитель генерального директора ФГУП «НПО «Техномаш» им. С.А. Афанасьева. Тел.: 8 (495) 689 -47-53. Е-mail: A.Kuzin@tm.fsa Kuzin Anatoliy Ivanovich – Doktor Nauk in Engineering, First Deputy CEO of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8 (495) 689 -47-53. Е-mail: A.Kuzin@tm.fsa

Овечкин Леонид Михайлович – канд. техн. наук, начальник отдела ФГУП «НПО «Техномаш» имени С.А. Афанасьева. Тел.: 8 (495) 689-95-87, доб. 95-87.Е-mail: L.Ovechkin@tmnpo.ru Ovechkin Leonid Mikhailovich – Ph.D. in Engineering Sciences, Department Head of FSUE «NPO «Technomac» named after S.A. Afanasyev. Tel.: 8 (495) 689-95-87, ext. 95-87.Е-mail: L.Ovechkin@tmnpo.ru