Том 25 № 3 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/ Д16/АМг3............................................................................................................................................................ 6 Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов.................................................................................................... 19 Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Концепция микромоделирования процесса соединения разнородных материалов пластической деформацией.......................................................................................................... 36 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тратия Д.K., Шеладия М.В., Ачарья Г.Д., Ачарья Ш.Г. Разработка экономичной конструкции коленчатого вала механического пресса с С-образной станиной на основании результатов анализа топологии............................................................................................................................................................ 50 Скиба В.Ю., Вахрушев Н.В., Титова К.А., Черников А.Д. Рационализация режимов поверхностной закалки ВЭН ТВЧ рабочих поверхностей пуансона в условиях гибридной обработки............................. 63 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Руктуев А.А., Юргин А.Б., Шикалов В.С., Ухина А.В., Чакин И.К., Домаров Е.В., Довженко Г.Д. Структура и свойства композиционного покрытия на основе высокоэнтропийного сплава, упрочненного частицами CrB.................................................................................................................................... 87 Майтаков А.Л., Грачев А.В., Попов А.М., Ли С.Р., Ветрова Н.Т., Плотников К.Б. Исследование рассеяния энергии и жесткости сварных соединений стыковой сварки давлением................................... 104 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний волокнистого полимерного композита на основе обработанных волокон муньи........................................ 117 Прибытков Г.А., Барановский А.В., Коржова В.В., Фирсина И.А., Кривопалов В.П. Синтез интерметаллидов системы Ti–Fe из смесей элементарных порошков......................................................... 126 Сингх С.П., Хирвани Ч.К. Анализ механических свойств и характеристик свободных колебаний полимерного композита на основе переплетенных обработанных волокон джута..................................... 137 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 152 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 163 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.09.2023. Выход в свет 15.09.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,5. Уч.-изд. л. 38,13. Изд. № 167. Заказ 245. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 3 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 3 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Salikhyanov D.R., Michurov N.S. Simulation of the rolling process of a laminated composite AMg3/ D16/AMg3.......................................................................................................................................................... 6 Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes.......................................................................................................................................................... 19 Salikhyanov D.R., Michurov N.S. The concept of microsimulation of processes of joining dissimilar materials by plastic deformation......................................................................................................................... 36 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Tratiya D.K., Sheladiya M.V., Acharya G.D., Acharya S.G. Economical crankshaft design through topology analysis for C type gap frame power press SNX-320.......................................................................... 50 Skeeba V.Yu., Vakhrushev N.V., Titova K.A., Chernikov A.D. Rationalization of modes of HFC hardening of working surfaces of a plug in the conditions of hybrid processing................................................................ 63 MATERIAL SCIENCE Ruktuev A.A., Yurgin A.B., Shikalov V.S., Ukhina A.V., Chakin I.K., Domarov E.V., Dovzhenko G.D. Structure and properties of HEA-based coating reinforced with CrB particles.................................................. 87 Maytakov A.L., Grachev A.V., Popov A.M., Li S.R., Vetrova N.T., Plotnikov K.B. Study of energy dissipation and rigidity of welded joints obtained by pressure butt welding................................................... 104 Singh S.P., Hirwani C.K. Analysis of mechanical behavior and free vibration characteristics of treated Saccharum munja fi ber polymer composite...................................................................................................... 117 Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V., Firsina I.A., Krivopalov V.P. Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures.............................................................................. 126 Singh S.P., Hirwani C.K. Free vibration and mechanical behavior of treated woven jute polymer composite............................................................................................................................................................ 137 EDITORIALMATERIALS 152 FOUNDERS MATERIALS 163 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 6 ТЕХНОЛОГИЯ Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/Д16/АМг3 Денис Салихянов 1, 2, a,*, Николай Мичуров 2, 3, b 1 Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия 2 Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук, ул. Комсомольская, 34, г. Екатеринбург, 620049, Россия 3 Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, ул. Мира, 22, г. Екатеринбург, 620062, Россия a https://orcid.org/0000-0001-7235-7111, d.r.salikhianov@urfu.ru, b https://orcid.org/0000-0003-1775-6181, n.michurov@ya.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 3 с. 6–18 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-6-18 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 669 История статьи: Поступила: 28 апреля 2023 Рецензирование: 20 мая 2023 Принята к печати: 13 июня 2023 Доступно онлайн: 15 сентября 2023 Ключевые слова: Слоистые композиты Алюминиевые сплавы Совместная прокатка Напряженно-деформированное состояние Соединение материалов Конечно-элементное моделирование Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20243 «Мульти-масштабное моделирование процессов соединения разнородных материалов пластической деформацией» при поддержке правительства Свердловской области. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. В последние десятилетия слоистые композиты на основе алюминиевых сплавов находят все большее применение в авиакосмической и автомобильной промышленности. Слоистые композиты обычно получают совместной прокаткой, в ходе которой происходит металлургическое соединение предварительно подготовленных листов. Основная задача совместной прокатки заключается в получении надежного соединения между материалами. На настоящий момент процесс соединения однородных и разнородных материалов пластической деформацией все еще остается малоизученным явлением. В связи с этим за последнее время большое развитие получили методы конечно-элементного моделирования процессов соединения материалов. Цель работы заключается в установлении связи между показателями напряженно-деформированного состояния и формированием устойчивого соединения между алюминиевыми сплавами разных составов. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы: 1) моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/Д16/АМг3 с данными, которые соответствуют физическим экспериментам, выполненным в ИМАШ УрО РАН; 2) выбор и анализ наиболее важных показателей напряженно-деформированного состояния при прокатке слоистого композита АМг3/Д16/АМг3. Методика исследований. В качестве основного инструмента для выполнения исследований выбран пакет КЭ-моделирования Deform-3D. Результаты и обсуждение. С помощью анализа искажения координатной сетки слоев композита и векторов скоростей течения материала слоев было выявлено, что в процессе прокатки деформация распределяется неоднородно по материалам слоев: наружные слои текут интенсивнее по сравнению со средним слоем. Максимальный разброс интенсивности деформации ei в поперечном сечении, наблюдаемый при максимальном обжатии 75 %, составляет 12 %, что позволяет принять для аналитических расчетов в первом приближении допущение об однородности деформации. Установлена связь начала формирования соединения между слоями композита с пороговым расширением контактной поверхности и нормальным давлением на межслойной границе. Предложены дальнейшие направления совершенствования подходов моделирования процессов прокатки слоистых композитов. Для цитирования: Салихянов Д.Р., Мичуров Н.С. Моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/Д16/АМг3 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 3. – С. 6–18. – DOI: 10.17212/1994-6309-202325.3-6-18. ______ *Адрес для переписки Салихянов Денис Ринатович, к.т.н., доцент Уральский федеральный университет, ул. Мира, 28, 620002, г. Екатеринбург, Россия Тел.: +7 (343) 375-44-37, e-mail: d.r.salikhianov@urfu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 7 TECHNOLOGY Введение В последние десятилетия слоистые композиты на осн ове алюминиевых сплавов находят все большее применение в авиакосмической и автомобильной промышленности [1]. Благодаря использованию разных материалов в одном изделии удается объединить такие свойства, как прочность, коррозионную стойкость, важный для авиации удельный вес, теплопроводность и др. Слоистые композиты обычно получают совместной прокаткой, в ходе которой происходит металлургическое соединение предварительно подготовленных листов [2]. Технология совместной прокатки включает в себя следующие основные этапы: подготовку соединяемых поверхностей листов посредством химической и механической обработки; сборку листов в пакет и их фиксацию сваркой или клепками; прокатку пакета по заданному режиму; термообработку; отрезку фиксированных краев листа. Далее могут идти операции листовой штамповки, например вырубка и вытяжка [2]. Основная задача совместной прокатки заключается в получении надежного соединения между материалами, характеризуемого прочностью и оцениваемого через специальные испытания [3]. На настоящий момент процесс соединения однородных и разнородных материалов пластической деформацией все еще остается малоизученным явлением. Это подтверждают многочисленные работы, посвященные изучению влияния отдельных технологических факторов совместной прокатки на прочность соединения слоев материала [1–10]. Анализ обзорных [2, 4, 5], экспериментальных [4–10] и теоретических [11, 12] работ показал, что наиболее значимыми факторами совместной прокатки являются следующие: величина обжатий и давлений при прокатке, технология подготовки поверхностей к соединению и соотношение прочностных свойств соединяемых материалов. Ввиду отсутствия надежных моделей прогнозирования условий, при которых начинается соединение материалов, разработка технологий производства новых слоистых композитов сопровождается большим объемом предварительных экспериментальных исследований. Как показано в предыдущей работе автора [3], дополнительные сложности вызывает неодинаковое влияние одних и тех же факторов на процесс соединения материалов, зависящее от сочетания материалов в конкретном технологическом процессе. Например, в одних случаях увеличение шероховатости контактных поверхностей способствует соединению, а в других – наоборот, препятствует. Для описания механизма соединения однородных и разнородных материалов существует около шести теоретических моделей, описанных в [13], однако наиболее часто ссылаются на теоретическую модель соединения материалов Бэя [14], который описал соединение материалов как процесс, протекающий в четыре стадии: 1) растрескивание оксидных пленок на соединяемых поверхностях материалов слоев; 2) выдавливание чистых металлов в трещины между оксидами; 3) сближение чистых металлов на величину межатомного взаимодействия; 4) образование участков соединения. Ограничениями теоретической модели Бэя являются типичные для механики сплошных сред допущения: двумерная постановка, однородность течения материалов слоев и давлений в очаге деформации и др. Кроме того, модель Бэя не позволяет аналитически определить уровень деформаций и давлений при совместной прокатке, необходимый для начала формирования соединения материалов. В связи с этим за последнее время большое развитие получили методы конечно-элементного (КЭ) моделирования процессов соединения материалов [15–19]. С опорой на натурные эксперименты возможно воспроизведение условий, при которых происходит формирование соединения материалов. В частности, для анализа процесса соединения материалов интерес представляют такие характеристики, как нормальные давления, сдвиговые напряжения, относительное среднее нормальное напряжение, интенсивность деформации и др. Наиболее подробный КЭ-анализ прокатки алюминиевого композита предоставили Халеди и др. [17, 18], однако ими выполнялось моделирование процесса соединения однородных листов из алюминия, хорошо изученного в экспериментальных работах Бэя [14]. Исследование механизма соединения разнородных материалов представляет собой более сложную задачу, в связи с чем в настоящей работе была поставлена цель: установление связи между показателями напряженно-деформиро-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 8 ТЕХНОЛОГИЯ ванного состояния и формированием устойчивого соединения между алюминиевыми сплавами разных составов. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи работы: 1) моделирование процесса прокатки слоистого композита АМг3/Д16/АМг3 с данными, которые соответствуют физическим экспериментам, выполненным в ИМАШ УрО РАН; 2) выбор и анализ наиболее важных показателей напряженно-деформированного состояния при прокатке слоистого композита АМг3/Д16/АМг3. Методика исследований Объектом исследования настоящей работы являлся процесс совместной прокатки слоистого композита АМг3/Д16/АМг3, состоящего из алюминиевых сплавов Д16 (сплав серии 2ххх, термически и деформационно упрочняемый) и АМг3 (сплав серии 5ххх, деформационно упрочняемый) [20]. В качестве основного инструмента для выполнения исследований выбран пакет КЭ-моделирования Deform-3D. Моделирование процесса прокатки выполнено в соответствии со следующими условиями. В качестве исходных заготовок были приняты листы с размерами 2,92×50×75 мм (толщина × ширина × длина), соответствующие реальным размерам листов, использованных для физического моделирования. Листы из сплавов Д16 и АМг3 поставлялись в отожженном (мягком) состоянии. Кривые упрочнения сплавов были построены с использованием кулачкового пластометра ИМАШ УрО РАН, а затем интегрированы в среду Deform-3D. Получившееся соотношение сопротивлений деформаций сплавов Ä16 ÀÌã3 σ σ оказалось близко к 0,8. Перед прокаткой листы собирались в пакет, как показано на рис. 1. Валки приняты идеально жесткими с линейной скоростью прокатки 150 мм/с, диаметр валков составлял 255 мм. Условия трения приняты в соответствии с законом трения по Кулону с коэффициентом трения μ, равным 0,12, между валками и наружными слоями пакета, и коэффициентом трения μ, равным 0,5, между слоями в пакете. Температура пакета соответствовала комнатной. Для имитации фиксации листов в пакете при прокатке было принято условие возможности их взаимного проскальзывания без отрыва друг от друга. Опытным путем установлен минимальный размер КЭ заготовок листов, позволяющий Рис. 1. Постановка задачи 3D-КЭ-моделирования процесса совместной прокатки слоистого композита АМг3/Д16/АМг3 Fig. 1. Setting of the problem of 3D FE-simulation of the laminated composites AMg3/D16/AMg3 rolling processes
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 9 TECHNOLOGY найти сходимость задачи на шагах итераций: минимальный размер КЭ в окне плотности составлял 0,6 мм, минимальный размер КЭ за пределами очага деформации – 1,3 мм, общее количество КЭ составляло ~50 тысяч для каждой листовой заготовки. Таким образом, в очаге деформации приходилось по три КЭ на толщину листа, что можно считать удовлетворительным с точки зрения точности и времени решения. В процессе моделирования варьировалось обжатие пакета 0 1 0 100 % h h h − ε = ⋅ , где h0 и h1 – исходная и конечная толщина пакета соответственно. Обжатия ε, задаваемые при моделировании, соответствовали реальным и составляли 30, 45, 55, 65 и 75 %. При этом обжатия более 45 % выполнялись в два прохода, где первый проход равнялся 45 %, а второй соответствовал целевому конечному обжатию (от 55 до 75 %). Авторами экспериментально установлено, что соединение между алюминиевыми сплавами происходит при обжатии ε по толщине не менее 45 %. Это наблюдение согласуется с литературой: например, в [6] установлено, что для соединения листов из технически чистого алюминия требуется обжатие при прокатке не менее 40 %. Результаты и их обсуждение На рис. 2, а, б представлено формоизменение координатной сетки, характеризующее течение частиц металла среднего слоя при совместной прокатке с обжатием 45 и 75 % соответственно. Координатная сетка была построена в центральном продольном сечении с размерами ячейки 0,5×0,5 мм. Из формоизменения сетки видно, что при совместной прокатке приповерхностные слои сплава Д16 текут в продольном направлении интенсивнее по сравнению с центральными слоями сплава. При большем обжатии (как, например, показано на рис. 2, б) происходит более сильное вытягивание приповерхностных слоев сплава Д16 по сравнению с центральными. Как показано на рис. 3, по мере движения металла к выходу из очага деформации происходит искривление поверхности векторов скоростей Рис. 2. Формоизменение координатной сетки центрального слоя при прокатке с обжатием 45 % (a) и 75 % (б) Fig. 2. Shape change of the central layer grid under rolling with thickness reduction ratio of 45 % (a) and 75 % (б) б а
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 3 2023 10 ТЕХНОЛОГИЯ Рис. 3. Поверхности векторов скоростей течения металла слоев при совместной прокатке с обжатием 45 % Fig. 3. Surfaces of metal fl ow velocity vectors of layers during accumulative roll bonding with thickness reduction ratio of 45 % течения металла слоев с отставанием течения центрального слоя из сплава Д16 по сравнению с плакирующими слоями из сплава АМг3. Иными словами, осуществляется вытеснение металла центрального слоя в сторону входа в очаг деформации вследствие его меньшего сопротивления деформации. Исходя из этого, очевидно невыполнение закона постоянства секундных объемов с соответствующим искажением координатной сетки. Для того чтобы оценить неоднородность деформации в поперечном сечении катаных композитов, было выполнено измерение интенсивности деформации ei вдоль линии, схематично изображенной на рис. 2. Интенсивность деформации рассчитывалась по формуле ( ) ( ) ( ) 2 2 2 1 2 2 3 3 1 2 3 i e e e e e e e = − + − + − , где e1–e3 – главные деформации. Конечный результат измерения представлен в виде графика на рис. 4, где по оси абсцисс отложена относительная толщина слоистого композита (0 – нижняя поверхность композита, 1 – верхняя поверхность композита). На рис. 4 обращает на себя внимание рост неоднородности интенсивности деформации ei с увеличением обжатий при совместной прокатке. При малом обжатии 30 % неоднородность деформации по слоям практически неразличима, а разница между максимальным и минимальным значением составляет 0,02. Далее с увеличением обжатий неоднородность интенсивности деформаций ei становится более выраженной и достигает максимума при наибольшем обжатии 75 % с разницей между максимальным и минимальным значением, равной 0,17. Примечательно, что при обжатиях до 65 % средний слой композита (сплав Д16) характеризуется меньшими значениями интенсивности деформаций ei, что согласуется с картиной распределения векторов скоростей течения слоев и выводом об отставании скорости течения центрального слоя от скорости течения плакирующих слоев. При обжатии 75 % возникает обратная картина: центральный слой характеризуется большими значениями интенсивности деформаций ei. Это наблюдение, вероятнее всего, вызвано малой толщиной листовой заготовки (2,2 мм) при данном обжатии, что приводит к более интенсивному проникновению деформации вглубь композита. В целом максимальный разброс интенсивности деформации % (max) (min) (max) 100 i i i e e e − ⋅ , наблюдаемый при обжатии 75 %, составляет 12 %, поэтому для аналитических расчетов технологии производства слоистого композита
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 3 2023 11 TECHNOLOGY Рис. 4. Распределение интенсивности деформации в поперечном сечении композитов в зависимости от обжатия при прокатке Fig. 4. Distribution of eff ective strain in the cross section of composites depending on thickness reduction during rolling АМг3/Д16/АМг3 в первом приближении можно принять допущение об однородности распределения деформации в поперечном сечении. С целью изучения условий формирования соединения между слоями из разных материалов для разных вариантов прокатки было рассчитано увеличение площади поверхности и сведено к общепринятому виду 1 0 1 A A Y A − = , где 0 A и 1 A – исходная и конечная площади поверхности [14, 21]. Для установления момента начала формирования соединения в очаге деформации был задан граничный критерий Y´, означающий расширение контактной поверхности, при котором появляются трещины в оксидном слое. По данным источников [6, 14, 16–18, 22], посвященных получению алюминиевых композитов прокаткой, критерий Y´ может варьироваться от 0,3 до 0,4 для технически чистого алюминия, что эквивалентно приблизительному обжатию при прокатке 30–40 %. В нашем случае критерий Y´ был принят на уровне 0,3 с учетом меньшей пластичности исследуемых сплавов по сравнению с технически чистым алюминием. На рис. 5 приведен график зависимости расширения контактной поверхности Y на межслойной границе от относительной длины очага деформации, где 0 – вход в очаг деформации, 1 – выход из очага деформации. Дополнительно на этих же графиках показано нормальное давление. Анализ значений расширения поверхности Y на выходе из очага деформации на рис. 5 показывает, что они практически совпадают со значениями обжатий. Это говорит о том, что в данных условиях влияние бокового уширения листов на расширение контактной поверхности Y ничтожно мало и им можно пренебречь для аналитических расчетов. На рис. 5, а представлен случай прокатки трехслойного пакета АМг3/Д16/АМг3 с обжатием 30 %. Как видно, расширение контактной поверхности пересекает пороговое значение Y´ на относительной длине 0,8 очага деформации, соответствующее началу растрескивания оксидного слоя и возможности контакта чистых металлов друг с другом. Однако на участке очага деформации (0,8…1) видно, что нормальные давления интенсивно снижаются с
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1