CC BY
41
УДК 621.777
Анализ особенностей деформирования заготовок методами интенсивной пластической деформации
А. И. Рудской, А. М. Золотов, Р. А. Паршиков, Е. С. Смирнов
Ключевые слова: интенсивная пластическая деформация, коэффициент жесткости напряженного состояния, равномерность величины накопленной деформации, субмикрокристаллические и наноструктурированные материалы.
Введение
В настоящее время изучение особенностей структурообразования в металлах при больших пластических деформациях представляет теоретический и практический интерес, это открывает значительные перспективы для создания субмикрокристаллических (СМК) и наноструктурированных (НС) материалов [1]. Разработаны новые процессы обработки давлением, используемые в основном для накопления деформации в заготовках без значительного изменения их формы; при многократном повторении процесса данный фактор позволяет накопить значительные пластические деформации в заготовках [2-5]. При описании таких процессов в литературе используется термин «интенсивная пластическая деформация» (ИПД).
Целью данного исследования являлось сравнение методов ИПД, которые потенциально можно использовать для получения объемных СМК и НС материалов в условиях промышленного производства. Сравнительный анализ был проведен с использованием методов компьютерного моделирования. Существует много методов ИПД, к наиболее простым в реализации можно отнести следующие:
• равноканальное угловое (РКУ) прессование [2];
• модифицированный метод всестороннего прессования (Т-образное прессование) [5];
• крестообразное прессование длинномерных заготовок (рис. 1, см. на с. 3 обложки).
Процесс крестообразного прессования (рис. 1, в) позволяет увеличить длину обрабатываемых заготовок по сравнению с результатами Т-образного прессования. Поскольку в основу перечисленных процессов положен принцип накопления деформации, то в качестве одного из критериев, которые использовались для сравнения методов, был выбран параметр равномер-
ности величины накопленной деформации в объеме заготовки. Известно, что пластическая деформация в металле сопровождается снижением ресурса пластичности [6-7]. При этом накопление поврежденности в металле зависит от величины накопленной пластической деформации, вида напряженного состояния в различных частях заготовки, а также от направления формообразования заготовки при многократном повторении процесса. По этой причине еще одним немаловажным критерием служит коэффициент жесткости напряженного состояния к = с0/с^, где Со — гидростатическое давление; а^ — интенсивность напряжений.
Принципы анализа
Математическое моделирование выбранных процессов проводилось с использованием метода конечных элементов. Были приняты следующие условия: модель материала — уп-ругопластическое тело, модель деформирования — плоская деформация. Условия трения в местах контакта деформируемого материала с инструментом во всех трех случаях описывались путем задания коэффициента трения р = 0,2. Предполагается также, что все процессы происходят при комнатной температуре. В качестве модельного материала использовался технический алюминий.
РКУ прессование
Моделирование процесса РКУ прессования проводилось с учетом того, что канал имеет один поворот и определенную геометрию:
• угол пересечения входной и выходной частей канала Ф — 105°;
• внешний радиус сопряжения Я — 10 мм;
• внутренний радиус сопряжения г — 5 мм;
• ширина прямолинейных участков Ь — 20 мм.
новые материалы и технологии производства
На рис. 2, а (см. на с. 3 обложки) представлен характер распределения интенсивности накопленной деформации в продольной плоскости канала после одного прохода.
Модифицированный метод всестороннего прессования (Т-образное прессование)
Модификация метода всестороннего прессования заключалась в том, что процесс осуществляется с использованием специальной матрицы, в которой происходит боковое выдавливание материала в двух взаимно противоположных направлениях (Т-образное прессование) (см. рис. 1, б). На завершающей стадии процесса материал не имеет возможности беспрепятственно течь в стороны и вынужденно заполняет свободный объем пресс-формы, благодаря чему сохраняется первоначальная форма заготовки для следующего цикла прессования.
На рис. 2, б представлены результаты численного решения задачи Т-образного прессования заготовки, которая в исходном состоянии имела соотношение высоты к ширине 2:1. После однократного прессования относительная степень деформации заготовки составила в = 50 %.
Крестообразное прессование
Для осуществления этого процесса материал должен беспрепятственно деформироваться в обе стороны с одновременным движением пуансонов сверху и снизу. Для упрощения реализации можно использовать конструкцию инструмента с «плавающей» матрицей. Численное моделирование процесса крестообразного прессования в силу симметрии заготовки проводилось для 1/4 ее части (рис. 1, в). На рис. 2, в представлено распределение интенсивности накопленной деформации в продольном сечении заготовки после однократного прессования.
Анализ полей распределения накопленной деформации в материале позволяет сделать вывод, что наибольшую равномерность по этому критерию обеспечивает РКУ прессование (рис. 2, а). При использовании остальных процессов зона наиболее интенсивных пластических деформаций располагается в центре заготовки и распространяется к углам. В результате образуются слабо проработанные области под пуансоном и на боковых свободных поверхностях (рис. 2, б, в). Причем увеличение количества циклов обработки не позволяет полностью избавиться от выявленной неравномерности, что в конечном итоге может су-
щественно повлиять на свойства готового изделия. Во избежание подобной ситуации процесс деформирования необходимо проводить, поворачивая заготовку на 90° вокруг ее продольной оси.
Известно, что при наличии отрицательных значений величины гидростатического давления (к < 0) пластичность материала значительно выше по сравнению с соответствующими параметрами, когда значения этой величины положительны (к > 0). Для зарождения и роста микротрещин наиболее опасными являются те области обрабатываемого материала, которые характеризуются положительными значениями коэффициента жесткости напряженного состояния к. На рис. 3, а-г представлены распределения показателя жесткости напряженного состояния к для анализируемых процессов.
Для процесса РКУ прессования деформируемой заготовки характерно появление области, прилегающей к верхней стенке выходного канала, где значения коэффициента к больше нуля (кт1п = 1,525). Отмеченная смена знака в данном случае объясняется немонотонностью процесса деформирования вдоль наружной стенки канала: гидростатические напряжения при переходе через очаг деформации меняют знак. Слои материала, прилегающие к внутренней стенке и находящиеся во входном канале, испытывают сжатие, а те, что в выходном канале, — растяжение. В случае обработки малопластичного материала возникающие растягивающие напряжения могут стать причиной образования несплош-ностей на его поверхности.
При Т-образном прессовании коэффициент к принимает положительные значения на боковых краях заготовки. В конце процесса свободная поверхность заготовки упирается в боковую стенку матрицы. В результате возникает боковой подпор, и коэффициент к приобретает отрицательное значение.
При крестообразном прессовании наблюдается аналогичная картина. Кроме того, в центральной зоне заготовки коэффициент к также принимает положительное значение, что может служить причиной возникновения трещин и несплошностей в этих зонах.
Выводы
По результатам численного моделирования рассмотренных процессов ИПД можно сделать следующие выводы:
Проведено сравнение методов ИПД, которые потенциально пригодны для использования в целях получения объемных СМК и НС
материалов в условиях промышленного производства. Сравнение проводилось с использованием двух критериев: равномерности величины накопленной деформации в объеме заготовки и коэффициента жесткости напряженного состояния.
Показано, что наибольшей равномерностью величины накопленной деформации в объеме заготовки характеризуется процесс РКУ прессования. Для других изученных процессов установлена значительная неравномерность распределения деформаций.
Построены поля распределения коэффициента жесткости напряженного состояния в продольном сечении заготовки. В обрабатываемом материале выявлены области, в которых велика вероятность образования трещин.
По совокупности влияния обоих критериев наиболее эффективным является процесс РКУ прессования. Проблема уменьшения размеров области возможного образования несплошностей в материале может быть успешно решена за счет наложения дополнительного гидростатического давления, то есть бокового подпора.
Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала
высшей школы» Министерства образования и науки РФ (грант № 2.1.2/6955).
Литература
1. Валиев Р. З. Объемные наноструктурные металлические материалы / Р. З. Валиев, И. В. Александров. М.: Академкнига, 2007. 400 с.
2. Сегал В. М., Резников В. И., Копылов В. И. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Навука i тэхнша, 1994. 232 с.
3. Бейгельзимер Я. Е., Варюхин В. Н. и др. Винтовая экструзия — процесс накопления деформации. Донецк: Теан, 2003. 87 с.
4. Saito Y., Utsunomiya H., Tsuji N. et al. Novel ultra-high straining process for bulk materials — development of the accumulative roll-bonding (ARB) process // Acta Materialia. 1999. Vol. 47. Issue 2. P. 579-583.
5. Шаркеев Ю. П., Ерошенко А. Ю., Кашин О. А. и др. Объемный наноструктурированный титан медицинского применения // Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины: Сб. тр. науч.-практ. конф.: В 2 ч. Новосибирск: Сиб. комитет потреб. кооперации, 2007. Ч. 1. С. 204-211.
6. Богатов А. А., Мижирицкий О. И., Смирнов С. В. Ресурс пластичности при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1984. 150 с.
7. Огородников В. А. Оценка деформируемости металлов при обработке давлением. Киев: Выща школа, 1983. 175 с.
В Армении прошла выставка «Expo-Russia»
С 29 по 31 октября 2009 года в Доме Правительства Республики Армения проходила Вторая российская промышленная выставка «Expo-Russia Armenia 2009».
Организаторы: ОАО «Зарубеж-Экспо», Концерн «Муль-ти Груп» при участии Международной ассоциации фондов мира, Федерального агентства «Россотрудничество» и при поддержке Министерства иностранных дел России, ТПП, Минпромторга, Минсвязи, Минтранса, посольства и торгпредства России, представительства Россотрудничества в Ереване, Правительства Республики Армения, Посольства Армении в России, Министерства экономики Армении, Армянского агентства развития, Союза армян России, Союза промышленников и предпринимателей РА.
Торжественное открытие выставки «Expo-Russia Armenia 2010» состоялось при участии президента Республики Армения Сержа Саргсяна, руководителей министерств и ведомств, депутатов Национального собрания.
Активное участие в проведении выставки приняли российские компании: ОАО «РЖД», ЗАО «Гражданские самолеты Сухого», ЗАО «Горные машины», Ярославский электромашиностроительный завод ОАО «Eldin», ФГУП «Российский НИИ космического приборостроения», Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ), Институт биоорганической химии РАН, ЗАО «Ольвия» (производитель контрольно-измерительных приборов), ОАО «Атомстройэкспорт», ОАО «Атомэнергопроект», Евразийский банк развития, химический завод ОАО «Кристалл», ОАО «Вымпелком» и другие компании, специализирующиеся в отраслях машиностроения, металлургии, высоких технологий, нано-
технологий, строительства, нефтехимии, автомобильной и горнодобывающей промышленности, телекоммуникации и связи.
Деловая программа выставки была очень насыщенной. Международную конференцию «Россия и Армения: перспективы экономического сотрудничества» открыл министр экономики РА Нерсес Ерицян докладом о современном этапе российско-армянского сотрудничества. В Минэнерго РА состоялся круглый стол на тему «Проблемы взаимодействия России и Армении в области энергетики и горнодобывающей промышленности», который вел заместитель министра Арег Галстян, а в Минтранссвязи министр Гурген Саркисян провел совместное заседание специалистов России и Армении на тему «Вопросы взаимодействия в области разработки средств связи и телекоммуникаций». Плодотворным стал круглый стол «О сотрудничестве России и Армении в сфере образования», собравший руководителей вузов наших стран в Ереванском государственном университете архитектуры и строительства.
Третья российская ежегодная промышленная выставка «Expo-Russia Armenia 2010» состоится 28-30 октября 2010 г. в Ереване. В 2010 г. ОАО «Зарубеж-Экспо» планирует проведение аналогичных выставок также в Иордании (март) и Казахстане (сентябрь 2010 г.). Рассматривается возможность организации российской выставки в Париже в рамках Года России во Франции (12-16 июня 2010 г.).
Оргкомитет: Россия, 119034, Москва, Пречистенка, 10, ОАО «Зарубеж-Экспо»; тел./факс: +7 (495) 637-36-33, 637-50-79, 721-32-36, (499) 766-99-17; www.zarubezhexpo.ru; [email protected].
№ 6 (54)/2009
43
Рисунки к статье А. И. Рудского, А. М. Болотова, Р. А. Паршикова, Е. С. Смирнова «Анализ особенностей деформирования заготовок методами интенсивной пластической деформации»
Рис. 2. Распределение интенсивности накопленных деформаций в продольном сечении заготовки после однократного деформирования в зависимости от характеристики прессования (метода ИПД): а — РКУ прессование; б — Т-образное прессование; в — крестообразное прессование
Рис. 1. Методы ИПД: а — РКУ прессование: 1 — пуансон; 2 — заготовка; б — Т-образное прессование; в — крестообразное прессование; Р — прикладываемое усилие
Рис. 3. Распределение показателя жесткости напряженного состояния к в продольном сечении заготовки после однократного деформирования в зависимости от характера прессования (метода ИПД): а — РКУ прессование; б — Т-образное прессование; в — Т-образное прессование с боковым подпором; г — крестообразное прессование без бокового подпора
-5,59
5.ОН
-4.57
-4.06
3,05
-2,54
-2,03
-1.52
-0.50
-14,12 -12,84 -11,55 -10,27 -8,98 -7,70 -6,42 -5,13 -3,85 -2,56 -1,28 0,00 1,28 2,56 3,85
