Том 24 № 2 2022 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, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, 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 В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. 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
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Тимофеев С.П., Гринек А.В., Хуртасенко А.В., Бойчук И.П. Технология механической обработки, цифровое моделирование и реализация устройства для контроля формы крупногабаритных деталей................................................................................................................................................................ 6 Шлыков Е.С., Абляз Т.Р., Муратов К.Р. Теоретическое моделирование процесса промывки межэлектродного пространства при копировально-прошивной электроэрозионной обработки изделий, выполненных из полимерных композитных материалов.................................................................................... 25 Логинов Ю.Н., Шимов Г.В., Бушуева Н.И. Деформации в нестационарной стадии прессования прутка из алюминиевого сплава с малым коэффициентом вытяжки.................................................................... 39 Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки.......................... 50 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Мартынова Т.Г., Скиба В.Ю. К вопросу об ограничении неравномерности движения технологической машины в заданных пределах................................................................................. 67 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Бурков А.А., Кулик М.А., Беля А.В., Крутикова В.О. Электроискровое осаждение порошка диборида хрома на нержавеющую сталь AISI 304........................................................................................ 78 Гуляшинов П.А., Мишигдоржийн У.Л., Улаханов Н.С. Влияние борирования и алитирования на структуру и микротвердость низкоуглеродистых сталей............................................................................... 91 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ Рекомендации по написанию научной статьи ...................................................................................................... 102 Подготовка аннотации ...................................................................................................................................... 107 Правила для авторов ......................................................................................................................................... 111 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 119 Корректор Л.Н. Ветчакова 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 06.06.2022. Выход в свет 15.06.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,0. Уч.-изд. л. 27,9. Изд. № 78. Заказ 189. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 2 2022 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. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. 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. 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
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 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 Affairs, 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. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; 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. 24 No. 2 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Timofeev S.P., Grinek A.V., Hurtasenko A.V., Boychuk I.P. Machining technology, digital modelling and shape control device for large parts..................................................................................................................... 6 Shlykov E.S. ,Ablyaz T.R.. Muratov K.R. Theoretical simulation of the process interelectrode space fl ushing during copy-piercing EDM of products made of polymer composite materials................................................ 25 Loginov Yu.N., Shimov G.V., Bushueva N.I. Deformations in the nonstationary stage of aluminum alloy rod extrusion process with a low elongation ratio.............................................................................................. 39 Sundukov S.K. Features of the superposition of ultrasonic vibrations in the welding process........................ 50 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., Martynova T.G., Skeeba V.Yu. On the issue of limiting the irregular motion of a technological machinewithin specifi ed limits.................................................................................................... 67 MATERIAL SCIENCE Burkov A.A., Kulik M.A., Belya A.V., Krutikova V.O. Electrospark deposition of chromium diboride powder on stainless steel AISI 304..................................................................................................................... 78 Gulyashinov P.A., Mishigdorzhiyn U.L., Ulakhanov N.S. Infl uence of boriding and aluminizing processes on the structure and properties of low-carbon steels........................................................................ 91 EDITORIALMATERIALS Guidelines for Writing a Scientifi c Paper ............................................................................................................ 102 Abstract requirements ......................................................................................................................................... 107 Rules for authors ................................................................................................................................................. 111 FOUNDERS MATERIALS 119 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 39 ТЕХНОЛОГИЯ Деформации в нестационарной стадии прессования прутка из алюминиевого сплава с малым коэффициентом вытяжки Юрий Логинов 1, 2, a,*, Георгий Шимов 1, b, Наталья Бушуева 1, c 1 Уральский Федеральный университет, ул. Мира, 19, г. Екатеринбург, 620002, Россия 2 Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, ул. Софьи Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620137, Россия a https://orcid.org/0000-0002-7222-2521, j.n.loginov@urfu.ru, b http://orcid.org/0000-0001-5763-0837, g.v.shimov@urfu.ru, c https://orcid.org/0000-0002-0603-8785, m0rgondagen@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 2 с. 39–49 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-39-49 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Наряду с горячей листовой прокаткой прессование является одним из основных заготовительных видов обработки в производстве полуфабрикатов из алюминия и его сплавов [1, 2]. ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.777.01 История статьи: Поступила: 21 марта 2022 Рецензирование: 21 апреля 2022 Принята к печати: 29 апреля 2022 Доступно онлайн: 15 июня 2022 Ключевые слова: Прессование Алюминиевый сплав Метод конечных элементов Пластическая деформация Обработка металлов давлением Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского на учного фонда, соглашение 22-2900931 от 20.12.2021. Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Отмечено, что прессование является основным заготовительным процессом в обработке давлением алюминиевых сплавов. При этом сам процесс обладает таким недостатком, как нестационарность пластического течения металла. Целью работы является установление уровня деформационной неоднородности передней части отпрессованного прутка путем численного моделирования с применением метода конечных элементов. Задачами исследования являются формулировка граничных условий процесса прессования, получение решения и оценка степени неоднородности. Методы исследования: для оценки деформированного состояния применили метод конечных элементов. Последовательность действий включала создание начальной формы очага деформации и конфигурации инструмента. Взаимное перемещение инструмента и деформируемого материала задано с помощью соответствующих граничных условий. Деформируемая среда – пластический материал со степенным упрочнением, физико-механические свойства соответствуют алюминиевому сплаву серии 6000. Результаты и обсуждение. Выявлено, что степень деформации в передней части отпрессованного изделия распределена крайне неравномерно, различия зафиксированы выше 300 %. Построены зависимости распределения степени деформации в поперечных сечениях прутка в зависимости от расстояния от переднего торца при различных относительных радиальных координатах. Выявлено, что центральные слои прутка приобретают постоянный уровень степени деформации раньше, чем периферийные слои, т. е. для них стационарность процесса достигается при меньшем перемещении металла. Областью применения результатов работы является технологическая проработка рационального раскроя металла на финишной стадии прессового передела алюминиевых сплавов с целью более рационального использования возвратных отходов. Выводы. В процессе прессования с малым коэффициентом вытяжки степень деформации распределяется неравномерно как по поперечному сечению пресс-изделия, так и по его длине. В нестационарной начальной стадии прессования передняя часть прутка остается слабо деформированной как на периферии, так и в центре, что часто вынуждает отправлять ее на переплав вследствие недостаточно проработанной структуры металла. В то же время, если установить ограничения на минимально возможную степень деформации, то по результатам расчета методом конечных элементов можно установить минимальную длину удаляемого металла, за счет чего удастся снизить массу отходов, направляемых в переплав. Для цитирования: Логинов Ю.Н., Шимов Г.В., Бушуева Н.И. Деформации в нестационарной стадии прессования прутка из алюминиевого сплава с малым коэффициентом вытяжки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 39–49. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-39-49. ______ *Адрес для переписки Логинов Юрий Николаевич, д.т.н., профессор Уральский Федеральный университет, ул. Мира, 19, 620002, г. Екатеринбург, Россия Тел.: 8 (343) 375-44-37, e-mail: j.n.loginov@urfu.ru Сам процесс отличается повышенной гибкостью: для перехода на выпуск другого вида изделия часто достаточно применить смену матрицы. Такой быстроты не удастся достичь при использовании процесса прокатки, где придется менять целые комплекты валков. Дополнительно именно в случае обработки алюминиевых сплавов, в отличие, например, от обработки меди или стали, становится возможным вести процесс деформации при умеренных температу-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 40 ТЕХНОЛОГИЯ рах. В результате инструментальная оснастка сохраняет прочностные свойства, даже если ее нагреть до температуры деформации. Это выводит процесс на уровень изотермической обработки, что должно стабилизировать свойства конечного продукта. Вместе с тем прессование отличается повышенными отходами металла в виде отрезанных передней и задней частей отпрессованного профиля. Они отбраковываются по причине иного деформированного состояния, чем основная часть изделия [3]. Например, для задней части отпрессованного профиля характерно образование пресс-утяжины, в результате чего появляется дефектность изделия [4, 5]. Для передней части профиля характерен малый уровень пластической деформации, что приводит к не проработке литой структуры металла. В результате механические свойства оказываются в этом месте невелики и часто не соответствуют требованиям стандарта. Кроме того, стандартами, особенно на продукцию из алюминиевых сплавов авиационного назначения, диктуются требования по структурному состоянию металла, которые также могут оказаться не выполнены. Неравномерность структуры и свойств прессованных полуфабрикатов по длине и по поперечному сечению является предметом изу чения технологических служб предприятий и исследовательских учреждений [6, 7]. Поведение передней части прессуемого изделия происходит в условиях осуществления малых пластических деформаций. Если при этом запланировано прессование с заранее уменьшенными коэффициентами вытяжки, то эффект от двух этих явлений суммируется и приходится принимать во внимание их последствия. Сам процесс прессования с малыми коэффициентами вытяжек анализировался, например, авторами [8] для случая прессования алюминиевого сплава. При этом обсуждалась проблема возможного снижения коэффициентов вытяжек за счет применения слитков меньших поперечных сечений. Поскольку при этом снижается уровень пластической деформации, то уменьшаются и энергетические затраты. Однако при этом остается актуальным вопрос доведения пластической деформации до таких величин, чтобы необходимые свойства продукта были получены. Отсюда возникает проблема достижения оптимальной величины деформации, которая устроила бы и экономику процесса со стороны минимизации энергетических затрат, и получение продукции необходимого качества. В результате даже начали появляться технические решения, направленные на искусственное увеличение степени деформации при прессовании, по крайней мере, магниевых сплавов [9]. Другая причина неудовлетворительных свойств передних частей пресс-изделий состоит в возможности их растрескивания после выхода из отверстия матрицы. Дело в том, что напряженное состояние металла, находящегося вблизи матрицы, отличается от состояния металла, находящегося в контейнере пресса. В последнем случае окажется напряженное состояние всестороннего сжатия [10], повышающее пластичность металла. Однако металл напротив отверстия матрицы имеет свободную поверхность и на него не действуют напряжения подпора. Поскольку пластичность металла является функцией напряженного состояния, то при отсутствии напряжений сжатия пластичность оказывается пониженной, и для недостаточно пластичных сплавов алюминия возможно появление трещин именно на передней части выходящего из матрицы пресс-изделия, что показано в работе [11] на примере производства крупногабаритных труб. При переходе в стационарную стадию прессования эффект отсутствия переднего подпора пропадает, и изделие перестает разрушаться. Поэтому определение деформированного состояния передней выходной части прессованного изделия, особенно в условиях деформации с малыми коэффициентами вытяжек, является актуальной задачей. Для анализа напряженно-деформированного состояния при прессовании может применяться физическое моделирование [12], но в последнее время чаще всего используют метод конечных элементов, реализованный в различных программных продуктах: QFORM [13,14], FORGE [15], DEFORM [16-18], РАПИД [19] и др. Это позволяет оценить ситуацию в каждой элементарной точке деформируемого металла. При этом возможно учесть все многообразие свойств деформируемых материалов и граничных условий в производственных ситуациях. Целью работы является установление уровня деформационной неоднородности передней
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 41 TECHNOLOGY части отпрессованного прутка путем численного моделирования с применением метода конечных элементов. Методики исследования Процесс прямого прессования осуществляется продавливанием металла слитка 1, расположенного в контейнере пресса 2, усилием пуансона 3 через отверстие матрицы 4 (рис. 1). В результате на выходе матрицы вначале появляется передняя часть прутка 5, затем наступает стационарная стадия процесса и выдавливается весь слиток за исключением пресс-остатка. Рис. 1. Схема прямого прессования: 1 – слиток; 2 – контейнер; 3 – пуансон с пресс-шайбой; 4 – матрица; 5 – передняя часть прутка; стрелка – направление перемещения инструмента Fig. 1. Scheme of direct extrusion: 1 – ingot; 2 – container; 3 – punch with a pressure pad; 4 – die; 5 – the front of the rod; arrow – direction of tool motion Можно обратить внимание на то, что схема отображает деформацию металла с малым обжатием, что не является характерным для процесса прессования, где коэффициенты вытяжек доходят до 1000 и более. В теории прессования рассматривается вопрос о назначении коэффициентов вытяжек не менее пяти для полуфабрикатов, предназначенных для последующей обработки давлением (первый вариант), и не менее десяти для полуфабрикатов, не обрабатываемых впоследствии давлением (второй вариант). Такие ограничения обусловлены возможностью не проработки сердцевины пресс-изделия из-за локализации пластической деформации в периферийных слоях [20]. Для пересчета коэффициентов вытяжек в иные показатели деформации, а также для связи между ними предусмотрены следующие формулы: – для относительного обжатия по площади: % = 100 ( –1)/ (1) – для степени деформации (иногда называемой логарифмической деформацией): = ln (2) либо ln (1 – (3) Расчет по формулам (1) и (2) дает минимальные значения: % = 1,61 – для первого варианта и % = 2,30 – для второго варианта. Здесь видно, что несмотря на то что значения коэффициентов вытяжек минимальны, показатели деформации оказываются большими и часто они недостижимы в отдельных проходах прокатки как альтернативного процесса. Процесс прессования осуществляется на горизонтальных гидравлических прессах. Прессовый инструмент в виде пресс-шайбы и матрицы подогревают до 380 °С в отдельно стоящей печи и монтируют в линии прессования. Температура контейнера 450 оС стабилизирована устройством подогрева. После выхода из матрицы прутки попадают на стеллаж пресса, а затем подвергаются резке на мерные длины, при этом передняя часть прутка отделяется, ее структура металла считается недостаточно проработанной пластической деформацией. Существуют общие рекомендации в прессовом производстве, на основе которых дефектной признается передняя часть отпрессованного пресс-изделия на длине, примерно равной двум диаметрам. Например, при диаметре отпрессованного крупногабаритного прутка 360 мм придется вырезать переднюю часть длиной 720 мм и массой 198 кг. При массе исходного слитка на уровне 2 т отходы указанного типа составляют величину около 10 %. Такие большие отходы возникают именно при прессовании с малыми коэффициентами вытяжки, поскольку длина получаемого прутка оказывается небольшой и на ее фоне доля отрезаемого металла оказывается значительной. На рис. 2, a показана передняя часть прутка на выходе из матрицы, а на рис. 2, б – поверхности реза прутков.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 42 ТЕХНОЛОГИЯ Для оценки ситуации, возникающей на начальной стадии прессования, применен программный модуль DEFORM-2D и сформулирована следующая постановка краевой задачи. Напряженно-деформированное состояние является осесимметричным, материал прессового инструмента – абсолютно жесткий, материал слитка рассматривается как пластичный. Заданы параметры вычислительной постановки: количество элементов сетки – 26 000, размер элемента в объеме слитка 1,0…1,2 мм; вблизи инструмента 0,5…0,7 мм. Тепловые граничные условия максимальным образом приближены к производственным показателям: температура слитка 470 °С; температура контейнера 450 °С; температура матрицы и пресс-шайбы 380 °С; температура окружающей среды при выходе из матрицы 20 °С; коэффициент конвекции в окружающую среду 0,02 Н/с/мм/°С; коэффициент теплопередачи 11 Н/с/мм/°С. Коэффициенты и их размерности заимствованы из интерфейса программного модуля. Скоростные граничные условия также привязаны к производственной обстановке: скорость движения пресс-штемпеля равна 3,66 мм/с, остальной прессовый инструмент неподвижен. Граничные условия трения в отличие от прокатки, где применяется закон Кулона, заданы законом Зибеля при показателе трения, a б Рис. 2. Передняя часть прутка на выходе из матрицы(a) и поверхности реза прутков (б) Fig. 2. The front of the rod at the exit of the die (a) and the cutting surface of the rods (б) равном 0,7 [21], что обусловлено высоким уровнем нормальных напряжений, характерным для прессования [22, 23] Диаметр контейнера равен 800 мм, диаметр матрицы 355,6 мм, коэффициент вытяжки в этом процессе равен 5,06, т. е. это случай прессования с малым обжатием. В соответствии с формулами (1) и (2) можно оценить другие показатели деформации: = 1,62, % Свойства деформируемой среды описываются моделью из интерфейса программы AL6061 Machining-Johnson: диапазон степени деформации (strain) 0…5; диапазон скорости деформации (strain rate) 0…100 000 с–1; диапазон температур 20…550 °С. Дополнительно эти данные сверены со свойствами, приведенными в источнике [24]. Результаты и их обсуждение На рис. 3, a отображен результат решения задачи в виде областей равного уровня степени деформации в стационарной стадии прессования для продольного сечения прутка. Соответственно на рис. 3, б представлен график распределения степени деформации вдоль радиальной координаты r. Здесь видно, что степень деформации распределяется неравномерно: в центре прутка степень деформации равна 1,1, а на периферии 4,5, отличие составляет 100(4,5…1,1)/1,1 = 309 %.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 43 TECHNOLOGY Эта часть решения приведена здесь для того, чтобы оценить разницу в свойствах металла в поперечном сечении в случае использования схемы прессования с малыми коэффициентами вытяжек. На рис. 4 представлено решение задачи в виде областей равного уровня для переходного процесса от начальной нестационарной стадии к стационарной стадии. Из рисунка видно, что если вдоль длины прутка в стационарной стадии (рис. 3) степень деформации сохранялась постоянной, то для передней части прутка это условие не выполняется. Наименьшие деформации локализованы в центре переднего торца прутка, наибольшие – локализованы ближе к периферии, но и они едва достигают значения 0,7. Можно напомнить, что степень деформации, определенная через площади поперечных сечений, составила 1,62, что в 2,3 раза больше. Для оценки полученной неравномерности построены графики (рис. 5) и введена относительная радиальная координата r/R, где r – текущий радиус прутка; R – радиус внешней поверхности прутка, равный половине диаметра прутка. Ход графиков показывает, что по мере удаления от торца возрастают значения степени Рис. 4. Распределение степени деформации в продольном сечении в нестационарной начальной стадии Fig. 4. Distribution of the strain degree in the longitudinal section in the nonstationary initial stage деформации от нулевого уровня до достижения уровня стационарного этапа прессования. Наиболее плотно расположены линии, построенные для центральной части прутка, что говорит о наименьшем градиенте в этой зоне. Ближе к периферии линии расположены более редко, что соответствует по характеру расположения ходу a б Рис. 3. Распределение степени деформации в продольном сечении отпрессованного прутка в стационарной стадии (a) и график распределения этой величины вдоль радиальной координаты (б) Fig. 3. Distribution of the strain degree in the longitudinal section of the pressed rod in the stationary stage (a) and the graph of the distribution of this value along the radial coordinate (б)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 44 ТЕХНОЛОГИЯ графика, рис. 3, б, который был получен для стационарного этапа, однако при существенно других номинальных значениях параметра. Анализ графика, представленного на рис. 5, показывает также, что центральные слои прутка приобретают постоянный уровень степени деформации раньше, чем периферийные слои, т. е. для них стационарность процесса достигается при меньшем перемещении металла. Полученное распределение деформации распространяется на начальные и граничные условия поставленной задачи. В производстве существует большое разнообразие соотношений параметров. Затраты только машинного времени составили порядка двух недель без учета времени на отладку системы в течение нескольких месяцев. Поэтому перебор всех возможных вариантов производственных технологий и приемов обработки является довольно затратной процедурой. В данном случае выработаны рекомендации для рассмотренного варианта, но сделана попытка распространить их на класс технолоРис. 5. График распределения степени деформации в поперечных сечениях прутка в зависимости от расстояния от переднего торца при различных относительных радиальных координатах r/R Fig. 5. Graph of the distribution of the strain degree in the cross sections of the rod depending on the distance from the front end at various relative radial coordinates r/R гий, связанных с прессованием слитков с малым обжатием. Рассмотрение полей степени деформации помогает определить накопленную величину характеристики упрочнения. Однако здесь не видно, за счет чего достигается этот эффект. Поэтому на рис. 6 представлено поле скоростей деформации (размерность, с–1). Рис. 6. Распределение скорости деформации (1/с) в продольном сечении (форма очага деформации); W – точка максимума Fig. 6. Strain rate distribution (1/sec) in the longitudinal section (shape of the deformation zone); W – maximum point Поскольку степень деформации является интегралом от скорости деформации по траектории перемещения элементарной частицы, то сформировать поле повышенных степеней деформации можно двумя способами: либо за счет высоких скоростей деформации, либо за счет длительного применения умеренных скоростей деформации. На рисунке видно, что вблизи начала калибрующего пояска матрицы образуется зона W очень высоких значений скоростей деформации. Собственно, в этом месте происходит резкое изменение направления перемещения металла и значительно увеличивается сдвиговая компонента тензора деформации. Можно встать на позицию, что существует минимальная степень деформации, которая нужна для проработки структуры металла. Ранее было показано, что в рассмотренном примере относительное обжатие, рассчитанное по формуле (2), равно 80 %. Для достижения свойств и получения нужной структуры достаточно от-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1