АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ И ВЕЛИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ НА ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ПРУТКОВ ИЗ СПЛАВА AZ31 НА СТАНЕ РАДИАЛЬНО-СДВИГОВОЙ ПРОКАТКИ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.771.01

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-372-380

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ И ВЕЛИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ НА ДЕФОРМИРУЕМОСТЬ ПРУТКОВ ИЗ СПЛАВА AZ31 НА СТАНЕ РАДИАЛЬНО-СДВИГОВОЙ ПРОКАТКИ

Т. Баер, Х. Дыя, А. Грыц, К.В. Бахаев, К.С. Горбунов, И.П. Мазур

В данной работе представлены результаты моделирования процесса прокатки прутков из магниевого сплава AZ31. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния сплава для различных режимов радиально-сдвиговой прокатки. Обоснованы режимы производства прутков с заданными механическими свойствами.

Ключевые слова: радиально-сдвиговая прокатка, магниевые сплавы, математическое моделирование, Forge 3D, неравномерность деформации, механические свойства.

Интерес к легким металлическим сплавам, который не уменьшается в течение нескольких десятилетий, оправдан многими факторами: технологическими, экономическими и экологическими. Растущий спрос на легкие конструкционные материалы позволяет уменьшить массу их компонентов, которая имеет непосредственное влияние на снижение энергопотребления и сокращение выбросов. Из-за низкой плотности, высокой теплопроводности, низкого коэффициента теплового расширения, высокого коэффициента поглощения энергии и высокой способности к рециклингу магниевые сплавы нашли применение во многих отраслях промышленности: автомобильной, авиационной, космической. Например, во многих автомобилях различные элементы выполнены из магниевых сплавов. К ним относятся, в частности, корпус КПП, шестерни распределительного вала, корпус редуктора, блоки цилиндров [1-9]. Увеличение использования сплава магния в промышленности является причиной для многопараметрического анализа его деформируемости в различных условиях. Во многих научно-исследовательских центрах проводятся исследования в области пластической деформации магниевых сплавов, например, прокатки, ковки, штамповки при повышенной температуре или волочения. Основной проблемой, возникающей в процессе пластической деформации магниевых сплавов, является их малая пластичность. В магниевых сплавах процесс пластической деформации обычно проводится в диапазоне температур 250-350 °C и при низких скоростях деформации. Такие условия деформации позволяют достичь требуемых свойств материала [10-14].

До сих пор методы, используемые для получения готовых изделий из магниевого сплава, таких как прутки, проволока или трубы малого диаметра, сталкивались с множеством проблем, связанных с быстрым упрочнением металла. Решающим фактором для определения пластичности металла является микроструктура исходного материала. Получение стержней и проволоки с хорошими пластическими свойствами возможно, например, в процессе экструзии [12]. В результате заготовка подходит для дальнейшей пластической обработки, например, волочением.

При проектировании процесса выбор параметров на каждом этапе пластической и термической обработки являются очень важным для получения изделий с нужными механическими свойствами. Применение радиально-сдвиговой прокатки, которая является частью лабораторного комплекса кафедры обработки металлов давлением и инженерной безопасности Ченстоховского технологического университета, позволило получить прутки с хорошими механическими свойствами из труднодеформируемых магниевых сплавов [15-19].

Целью исследования было определение влияния температуры процесса и скорости вращения валков на деформируемость сплава AZ31 при прокатке с 30 мм до 24 мм в два и один проход. Численные исследования деформируемости сплава AZ31 проведены для четырех значений скорости вращения валков 25, 50, 75 и 100 об/мин и четырех значений температуры прокатки 250, 300, 350 и 400 оС.

Материал и область исследования. Исходным материалом для исследования был магниевый сплав AZ31 с химическим составом, приведенным в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав исследуемого сплава AZ31___

Химический состав Mg Al Zn Mn Nd Sb Fe Si

[%] 96,284 2,58 0,99 0,12 0,005 0,017 0002 0002

Для определения параметров уравнения пластичности исследуемого сплава были проведены детальные пластометрические исследования при повышенных температурах с применением различных скоростей деформации. На основании полученных зависимостей «напряжение-деформация» были определены параметры уравнения текучести Хензеля-Шпиттеля [15,16]. Полученные коэффициенты аппроксимирующего уравнения приведены в табл. 2.

Определенные параметры уравнения пластичности Хензеля-Шпиттеля были использованы в программе Forge 3D ® для проведения математического моделирования процесса прокатки круглых прутков в стане радиально-сдвиговой прокатки.

Исследование процесса прокатки проводили в два этапа. На первом этапе процесс прокатки осуществляется в два прохода: во время первого прохода диаметр прутка изменился с 30 до 26 мм, а во время второго прохода получили конечный диаметр 24 мм. Второй этап исследования проводился за один проход прутка с диаметра 30 мм на конечный диаметр 24 мм.

Таблица 2

Параметры аппроксимирующей функции_

Значения параметров уравнения

А1 т1 м2 м3 т4 т5 т7 т8 т9

157 -0,0045 -0,10737 0.250335 -0,0165 0.001125 -0,00016 -0,00064 0.167023

Начальные условия. Параметры, принятые для численного моделирования процесса прокатки круглых образцов из сплава магния А231 на стане радиально-сдвиговой прокатки:

- температура прокатки 250, 300, 350 и 400 °С;

- скорость вращения валков 25, 50, 75 и 100 об/мин;

- диаметр валков 60 мм;

- модель смешанного трения: Кулона и Треска, для которого коэффициент трения составлял 0,4, а фактор трения 0,8;

- диаметр исходного прутка 30 мм;

- коэффициент теплообмена образцов с валками 2000 Вт/м2 К.

Валки установлены под углом к оси прокатки (а = 18 °) и рабочие поверхности валков наклонены под углом в = 9 ° по отношению к оси валка [17-19]. Модель валков, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Модель валков

Результаты и анализ. Процесс последующего анализа был основан на результатах математического моделирования. На рис. 2-13 показано распределение интенсивности деформации £1 в продольном сечении в средней части прокатанных прутков на стане радиально-сдвиговой прокатки для четырех скоростей вращения валков (25, 50, 75, 100 об/мин) и четырех температур прокатки (250, 300, 350, 400 °С).

Полученные в результате первого прохода распределения интенсивности деформации для анализируемых температурных и скоростных условий, получившие вытяжку Х1 = 1,33, представлены на рис. 2-5. Результаты численного моделирования, полученные в результате второго прохода этого же образца при значении вытяжки Х2 = 1,17, показаны на рис. 6-9.

На рис. 10-13 представлены распределения интенсивности деформации е1 для второго этапа исследования, где вытяжка образца составляла /.с = 1,56.

Г

Рис. 2. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 11 = 1,33) при температуре 250 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

£1

Е:

--2

Ь)

тшж

1ХЕ

■

г

Рис. 3. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 11 = 1,33) при температуре 300 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

е,

в:

Ь)

<0

Г"

Рис. 4. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 11 = 1,33) при температуре 350 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

н:

--2

Ь)

> Ж

ф

г

Рис. 5. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 11 = 1,33) при температуре 400 °С и при скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

Из полученных распределений интенсивности деформации еъ представленных на рис. 2-5, следует, что процесс деформации на стане радиально-сдвиговой прокатки характеризуется большой неравномерностью деформаций во всем объеме деформируемого прутка. Увеличение скорости вращения валков повышает величину интенсивности деформации £1 при каждой из исследуемых значений температур. Полученные значения интенсивности деформации е1 для анализируемых случаев (пруток диаметром 30 мм нагревают до температур от 250, 300, 350, 400 °С, прокатывают на диаметр 26 мм при скорости валков 25, 50, 75, 100 об/мин) существенно отличаются друг от друга. Различия касаются как уровня максимальных значений деформации, так и характера их распределения в продольном сечении прутка.

Увеличение скорости вращения валков до 100 об/мин при каждой температуре прокатки приводит к увеличению неравномерности интенсивности деформации в продольном сечении. Максимальные значения интенсивности деформации наблюдаются в центральной части прутка в очаге деформации в зоне контакта инструмента с прокатываемым прутком.

Наибольшая интенсивность деформации е1 в продольном сечении прутка в первом проходе (^ = 1,33) составила около 3,4 (рис. 2d, 4d). Наименьшее значение интенсивности деформации составило около 0,66 (рис. 5а).

На рис. 6-9 представлены распределения интенсивности деформации для прутка диаметром 26 мм, нагретого до температуры 250, 300, 350, 400 ° С, прокатанного на диаметр 24 мм при скорости вращения валков 25, 50, 75, 100 об/мин.

£1

я:

--9

I

О

Ь)

» ж

в

г

Рис. 6. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 12 = 1,17) при температуре 250 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

е;

Г

Рис. 7. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 12 = 1,17) при температуре 300 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

£i

в:

а) Ь)

■ ^шт Е< ■ ► Ш

с)

ф

Г

к

►> г о

Рис. 8. Распределение интенсивности деформации Ei в продольном сечении прутка (вытяжка I2 = 1,17) при температуре 350 °С и скорости валков: a - 25 об/мин; b - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

d -100 об/мин.

L-1

Е

с

г

Рис. 9. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 12 = 1,17) при температуре 400 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

Из полученных распределений интенсивности деформации £1, показанных на рис. 6-9 следует, что форма и размеры валков, используемых при прокатке, влияют на характер распределения интенсивности деформации £1 прутка в очаге деформации. Максимальное значение интенсивности деформации (£1 = 4,2) наблюдается в центральной части прутка в очаге деформации, где происходит изменение диаметра прутка, а также в зоне контакта прутка с инструментом.

Во втором проходе интенсивность деформации возрастает при попадании в зону больших деформаций и достигает максимальных значений (£1 = 3,8-4,2) на внешней поверхности при температуре 400 °С и скоростях вращения валков 50 об/мин, 75 об/мин, 100 об/мин (рис. 9Ь, с, d). В то время как самые низкие значения интенсивности деформации составили 1,65 при температуре от 250 до 300 °С и скорости вращения валков ^ = 25 об/мин (рис. 6а, 7а).

На рис. 10-13 показано распределение интенсивности деформации £1, при прокатке образцов диаметром 30 мм за один проход (Хс = 1,56) на конечный диаметр 24 мм при температурах 250, 300, 350, 400 °С, и скорости вращения валков 25, 50, 75, 100 об/мин.

£1

Рис. 10. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 1с = 1,56) при температуре 250 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

£1

Г

Рис. 11. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 1с = 1,56) при температуре 300 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

Г

Рис. 12. Распределение интенсивности деформации Е1 в продольном сечении прутка (вытяжка 1с = 1,56) при температуре 350 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; Ь - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

й -100 об/мин.

377

■ш- о

! ■

Рис. 13. Распределение интенсивности деформации Si в продольном сечении прутка (вытяжка Ac = 1,56) при температуре 400 °С и скорости валков: а - 25 об/мин; b - 50 об/мин; с - 75 об/мин;

d -100 об/мин.

На основании анализа представленных на рис. 10-13 распределений интенсивности деформации Ei, можно сделать вывод, что скорость вращения валков оказывает существенное влияние на ход процесса прокатки. В каждом из анализируемых случаев прокатки наибольшие значения интенсивности деформации наблюдались в областях, лежащих на расстоянии около 2/3 длины очага деформации в поверхностных слоях прутка при скорости вращения валков 100 об/мин. Результаты, представленные на рис. 10-13, показывают, что для образца с температурой 400 °C были получены самые высокие значения интенсивности деформации (рис. 13c и 13d). Тогда как наименьшие (ер 1,8) значения интенсивности деформации были получены для случаев прокатки прутка в один проход (Xc = 1,56) при температурах 250 и 300 °C и скорости вращения валков nw = 25 об/мин.

При прокатке с низкой скоростью вращения валков (25 об/мин) наблюдались наименьшие значения интенсивности деформации (ei = 1,80-2,04). Наибольшие значения интенсивности деформации (ei ~ 4,0) в прутке имели место для случаев прокатки образца диаметром 30 мм при 300 °С в первом проходе на диаметр 26 мм (X = 1,33) и прокатки того же образца при температуре 400 °С во втором проходе на диаметр 24 мм (Хс = 1,56) при скорости валков 100 об/мин. Кроме того, малые значения интенсивности деформации (ер1,9-2,2) были отмечены для случая прокатки при 300 °С за один проход (X1=1,33) при скорости вращения валков nw = 25 об/мин и прокатки при той же температуре для прутков диаметром 24 мм (Xc=1,56) со скоростью вращения nw = 75 об/мин (рис. 3а и 10c). Значительное влияние на величину интенсивности деформации оказывала начальная температура образца. С увеличением температуры увеличивалась интенсивность деформации ei в объеме прокатанного прутка.

Выводы. На основе проведенного математического моделирования процесса прокатки прутков на стане радиально-сдвиговой прокатки можно сделать выводы о том, что:

- повышение температуры прокатки с 250°С до 300 °С вызывает появление больших неодно-родностей в распределении интенсивности деформации;

- внешние слои прокатываемых образцов удлиняются сильнее внутренних из-за неравномерности деформации, т.к. при прокатке прутков в очаге деформации возникают наибольшие интенсивности деформации на поверхности деформируемого образца;

- в процессе прокатки на стане радиально-сдвиговой прокатки происходит наклон оси валков относительно друг друга и относительно оси прокатки, что приводит к скручиванию деформированного прутка и возникновению больших поверхностных деформаций во время каждого пропуска;

- наиболее интенсивно деформируются поверхностные слои образцов, на которые воздействуют силы трения. Отличие в значениях деформации на поверхности и на оси стержня дополнительно связано с тем, что поверхностный слой материала деформируется в осевом, радиальном и периферическом направлениях, в то время как в центральной зоне стержня преобладает, в основном, осевая деформация, а доли радиальных и периферических деформаций являются незначительными.

Список литературы

1. Yang Z., Li J.P., Zang J.X., Lorimer G.W., Robson J. Acta Metallurgica Sinica (Engl. Lett.), 2008. Vol. 21, no.5. P. 313-328.

2. Watanabe Hi in. Materials Transactions, vol. 42, no.7, 2001. P. 1200-1205.

3. Murai T., Matsuoka S., Miyamoto S., Oki Y. Journal of Materials Processing Technology, 141, 2003. P. 207-212.

4. Chen Y., Wang Q., Peng J., Zhai C., Ding W. Journal of Materials Processing Technology, 182, 2007. P. 281-285.

5. Mordike B.L., Elbert T. Magnesium Properties-applications-potential // Material Science and Engineering, A302, 2001. P. 37-45.

6. Chabbi L., Lehnert W. International Conference and Exhibition Magnesium Alloys and their Applications, 28-30.04.1998, Wolfsburg, Niemcy. 313 p.

7. Myshlyaev M.M., Mcqueen H.J., Konopleva E.A. Microstructural development in Mg alloy AZ31 during hot working // Material Science and Engineering, A337, 2002. 121 p.

8. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вархомов Р.О. Высокопрочный стали Al-Zn-Mg-Cu-сплавы и лёгкие Al-Li-справы // Металловедение и термическая обработка сплавов. 2011, №9. P. 2 7-33.

9. Скрябина Н.Е., Fruchart D., Girard G., Miraglia S. Формирование текстуры деформации в сплаве AZ31 под воздействием равноканального углового прессования // Вестн. Перм. ун-та. Сер. Физика. 2010. Вып. 1. С. 97-101.

10. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Process in Mat. Science, nr 45, 2000. 103 p.

11. Prasad Y.V.R.K., Rao K.P. Material Science and Engineering, A 432, 2006. P. 170-177.

12. Bajor T., Muskalski Z., Rudy i Metale Niezelazne, R-54, 2009, Nr 11. P. 697-700.

13. Скрябина Н.Е., Аптуков В.Н., Романов П.В., Фрушар Д. Влияние равноканального углового прессования на механические свойства и микроструктуру образцов магниевых сплавов // Весник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2014. № 3. С. 113128.

14. Скрябина Н.Е., Пинюгжанин В.М., Фрушар Д., Жирард Г., Мираглиа С. Деформационное измельчение структуры сплава AZ31 в процессе равноканального углового прессования // Вестник Пермского университета. Физика. 2011. № 1. С. 82-87.

15. Dyja H., MrOz S., Rydz D. Technologia i modelowanie procesow walcowania wyrobow bi-metalowych // Wydawnictwo WIPMiFS Politechniki Cz^stochowskiej, 2003, Seria Metalurgia, nr 33.

16. Nakasuji K., Maruda K., Hayashi C. Development of Manufacturing Process of Clad Bar by Rotary Rolling // ISIJ International, Vol. 37, 1997, No. 9. P. 899-905.

17. Yeong M.H., Tsai W.M., Tsai F.H., Her I. Analytical and experimental study on the spiral marks of the rolled product during three- roll planetary rolling process // International Journal of Machine Tools and Manufactured, 2006. P. 1555-01562.

18. Merkulov D.V. Pipe rolling in helical-rolling mills without a guide system // Stal, July 2008, Volume 38, Issue 7. P. 580-584.

19. Козулин А.А., Скрипняк В.А., Красновейкин В.А., Скрипняк В.В., Каравацкий А.К. Исследование физико-механических свойств ультрамелкозернистых магниевых сплавов после интенсивной пластической деформации // Изв. вузов. Физика. 2014. № 9. С. 98-104.

Баер Тереса, PhD, teresa. bajor@pcz.pl, Польша, Ченстохова, Ченстоховский технологический университет,

Дыя Хенрик, д-р техн. наук, профессор, Польша, Ченстохова, Ченстоховский технологический университет,

Грыц Анета, PhD, Польша, Ченстохова, Ченстоховский технологический университет,

Бахаев Константин Вячеславович, канд. техн. наук, доцент, bakhaev@stu.lipetsk.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Горбунов Кирилл Сергеевич, аспирант, beluivolk96@mail.ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет,

Мазур Игорь Петрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, mazur@stu. lipetsk. ru, Россия, Липецк, Липецкий государственный технический университет

ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF DEFORMATION CONDITIONS AND MAGNITUDE ON THE DEFORMABILITY OF AZ31 ALLOY BARS ON A RADIAL SHEAR ROLLING MILL

Bajor Teresa, Dyja Henryk, Gryc Aneta, K.V. Bakhaev, K.S. Gorbunov, I.P. Mazur

This paper presents the results of modeling the process of rolling rods made of magnesium alloy AZ31. The analysis of the stress-strain state of the alloy for various modes of radial shear rolling is carried out. The modes ofproduction of bars with specified mechanical properties are substantiated.

379

Key words: radial shear rolling, magnesium alloys, mathematical modeling, Forge 3D, unevenness of deformation, mechanical properties.

Bajor Teresa, PhD, teresa.bajor@pcz.pl, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,

Dyja Henryk, doctor of technical sciences, proffessor, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,

Gryc Aneta, PhD, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology,

Bakhaev Konstantin Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, docent, bakhaev@stu.lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Gorbunov Kirill Sergeevich, postgraduate, beluivolk96@mail.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,

Mazur Igor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of depatment, ma-zur@stu.lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University

УДК 621.9-05

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-380-386

МЕХАТРОННАЯ МОДЕЛЬ ТРЕХКАМЕРНОЙ ПЕЧИ УЧАСТКА ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ

А.А. Анцифиров, Т.Ю. Артюховская

В статье рассматривается упрощенная модель трехкамерной печи участка горячей объемной штамповки на базе мехатронного стенда, содержащего три уровня, на каждом из которых располагаются нагреваемые заготовки. На стенде предусмотрено упрощение функционирования работы модели печи отсутствием физического нагрева. Для печи предусмотрен конвейер и трехкоординактный робот-манипулятор, содержащий схват с оптическим датчиком. При помощи датчика возможно автоматизированное обнаружение в печи позиции с расположенной на ней заготовкой с целью последующего переноса на конвейер для дальнейшего перемещения на кривошипный горячештамповочный пресс. Управления средствами автоматизации осуществляется при помощи специальной разработанной программой в среде Codesys 3.5. Стенд предназначен для проведения практических занятий по разработке автоматизированных систем управления технологическими процессами, в том числе, в области обработки металлов давлением.

Ключевые слова: обработка металлов давлением, нагрев, мехатронные системы, автоматизация.

Понимание основ функционирования современного уровня технологических процессов и решений в области машиностроения может быть достигнуто путем имитации работы на стендовом оборудовании. Широкие возможности, наряду с компьютерным моделированием, открывают существующие разработки в области мехатронных систем в виде собираемых стендов требуемой компоновки.

Благодаря широкому набору готовых средств механизации и программно-аппаратных средств автоматизации, из которых могут состоять мехатронные системы, появляется возможность выполнять прототипирование вновь разрабатываемых производств, а также оценивать возможность модернизации существующих производственных процессов. Актуальным представляется тот факт, что благодаря использованию стендового оборудования появляется возможность совершенствовать технические навыки и в сжатые сроки повышать инженерную квалификацию сотрудников профильных предприятий.

В статье рассматривается нагревательное устройство, которое представляет собой трехуровневую печь, предназначенную для нагрева заготовок методом горячей объемной штамповки на кузнечно-прессовом оборудовании (КШО). образцом нагревательного устройства принята печь американского производителя Lindberg/MPH. Автоматизация участка горячей объёмной штамповки обеспечивается не только за счет разработанной производителем системы управления нагревом печи, но с использованием предлагаемой системой управления автоматизированного обнаружения и переноса нагретых заготовок из зоны нагрева на конвейер для их последующего перемещения в зону обработки давлением.

380