CC BY
7
—ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ-
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной
УДК 621.7.01:(669.01:539.6)
ОБ ИНТЕНСИВНОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ ПРИ СОДЕЙСТВИИ НАПРЯЖЕНИЙ ТРЕНИЯ С МАКРОСДВИГОМ
В.Л. Бережной, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:[email protected])
Кратко рассмотрена ретроспектива технических решений по приданию контактному трению технологически полезных функций. Выдвинута научная концепция об управляемой интенсификации деформирования посредством активных напряжений трения с макросдвигом в области сжатия. Сформулированы ключевые научные положения в качестве платформы для развития техники ОМД с содействием трения и макросдвига.
Оценены возможности более широкого технологического использования продольных, тангенциальных, крутящих и поперечных напряжений полезного трения.
Ключевые слова: ОМД, нетрадиционные способы, технологическое использование трения, интенсификация деформирования, минимизация неравномерности, макросдвиг со сжатием, инициаторы полезного трения, МВО, МКЭ, новое направление ОМД, опорные научные положения.
On Intensive Friction Stresses and Macroshear-Assisted Extrusion. V.L. Berezhnoy.
A number of technical solutions to give technologically useful functions to contact friction is reviewed in brief. A scientific concept about controllable intensification of deformation carried out via active friction stresses with macroshear in the field of compression is put forward. Key scientific points as a platform for development of the friction and macroshear-assisted metal plastic working technology are formulated.
Possibilities of the wider technological usage of longitudinal, tangential, torsional and transverse stresses of useful friction are evaluated.
Key words: metal plastic working (MPW), unconventional techniques, technological use of friction, intensification of deformation, minimization of nonuniformity, macroshear with compression, initiators of useful friction, upper bound method, finite-element method, new trend in MPW, base scientific points.
Ретроспектива и суть базовой концепции технологически активного трения с макросдвигом
Проблемы в основном негативного влияния контактного трения в традиционных процессах ОМД (за исключением прокатки) на характер деформирования, неравномерность свойств, дефектообразование, выход годного и энергозатраты всегда актуальны, поскольку даже в оптимальных производственных условиях ОМД его последствия обнару-
живаются в пониженных технико-экономических показателях и ограничениях для стандартов качества и механических свойств деформированных полуфабрикатов.
Между тем с древности было известно, что трению можно придать технологически полезный характер.
Примеры: водоподъемный винт, изобретенный Архимедом (III в. до н.э.) и устройство для прокатки, изобретенное Леонардо да Винчи (XVI в. н.э.). Однако прокатка остава-
лась в течение последующих четырех веков, по-видимому, единственным способом ОМД, реализуемым совместно активными силами трения и сжатия*. Даже ключевое изобретение водоподъемного винта - прообраза всех винтов - переведено в Европе в XVI в., а достигло России только в 1823 г., где несколько ранее М.В. Ломоносов ввел в науку понятие «трение» (процесс трения известен и изучался также с древности).
В этой неоправданно замедленной истории ОМД вторым, после прокатки, было предложение Э. Зибеля [1] вращать фильеру при волочении и матрицу при прессовании для придания напряжению трения функциональной полезности (1934 г., Германия).
Далее, в 1949 г. И.М. Павлов предложил особо рассматривать активную составляющую продольной силы трения, переносимую с валка на прокатываемую полосу [2], а в дальнейшем обосновал положение о технологической роли активных сил трения в ОМД. Вслед за этим Р Бриджмен в 1952 г. [3] развил идею Э. Зибеля в своей «наковальне Бриджмена» применительно к измельчению зеренной структуры материалов в узкой зоне действия технологически полезных тангенциальных напряжений, передаваемых плоской заготовке от рабочей поверхности вращаемого бойка. Затем, применительно к деталям машин, А.И. Зимин в 1953 г. [4] охарактеризовал и учел активные силы трения, обеспечивающие работу приводного механизма, при разработке теории винтового пресс-молота.
Рассматривая возможности изменения кинематико-силового взаимодействия рабочих элементов инструмента и прессуемой заготовки, автор данной статьи и первой диссертации, касающейся активизации сил трения при прессовании [5], принял в 1964 г. на стадии поисковых исследований для целевого анализа две схемы технологического использования сил трения без смазки:
- прямое деформирование металлического и металлокерамического порошков в контейнере-матрице, принудительно смещаемой относительно давящего пуансона (США, 1958 г.) [6];
* Активная сила безальтернативно направлена в сторону предписанного движения, например, истечения металла.
- прямое прессование трубы с опережающим пресс-штемпель движением внутреннего элемента составной иглы (СССР, 1963 г.) [7].
Было установлено, что в случае [6] достигаются условия уменьшения неравномерности уплотнения компакта посредством кине-матико-силовой оптимизации сил трения, передаваемых на сыпучий консолидируемый материал, а в случае [7] подобное воздействие сил трения позволяет создать во внутренней игле препятствующие разрушению сжимающие напряжения и способствовать развитию течения и деформации прессуемого металла вблизи этой иглы.
С учетом вышеизложенного, автором данной статьи был предложен в 1965 г. принципиально новый способ прессования (активно-обратный), отличающийся опережающим пресс-штемпель движением приводного контейнера в сторону истечения металла с возможностью регулирования величины обгона, что в условиях горячего процесса без смазки позволяет сформировать технологически эффективно действующую область деформации с зоной макросдвига со сжатием и дополнительным сжатием близ матрицы [5, 8, 9] (рис. 1).
Необходимо отметить, что уже в первые годы, начиная с 1965 г., результаты поисковых и целевых лабораторных исследований активно-обратного прессования прутков и труб из алюминиевых и медных сплавов, свинца свидетельствовали о таких его преимуществах перед традиционными способами прямого и обратного прессования, как объемная равномерность деформаций и измельченной зеренной структуры, стабильно повышенный уровень равномерных механических свойств в поперечных сечениях каждого пресс-изделия, минимизация отходов в пресс-остаток или отсутствие последнего, многократное повышение скоростей истечения, значительное снижение полного усилия.
Актуальность проблемы технологического использования трения и сдвига была подтверждена и подтверждается опубликованием за рубежом многих российских статей в этой научной области, включая самые ранние [10, 11].
т - предельное напряжение пластического сдвига в материале деформируемой заготовки;
Р5 - полное усилие активно-обратного прессования; I и I - длины кон-
к.з м.з "
тактов заготовки с контейнером и матрицей;
К
оценочный
Рис. 1. Схемы течения, зонообразования и деформирования металла в кинематико-силовых условиях горячих процессов прямого (а), обратного (б) и активно-обратного (в) осесимметричного прессования прутка без смазки:
Р и V - усилие и скорость прессования; т и т - напряжения трения, передаваемые
пш пш у ' 1 к.з м.з 1 1 7 11-1
заготовке от контейнера и матрицы; ОЧПЗ - обжимающая часть пластической зоны; 1, 2, 3, 4 - зоны соответственно упругая, уширения со сдвиго-растяжением (а) и уширения со сдвиго-сжатием (в), обжатия со сдвиго-растяжением (а) и обжатия со сдвиго-сжатием (в), макросдвига со «сверхдеформацией сдвиго-растяжением» (а, зона 4) и опережающим течением (в, зона 4) под влиянием сжимающих ткз; щ - скорость истечения металла
Принципы прессования труднодеформи-руемых алюминиевых сплавов в условиях предельных активных напряжений трения с макросдвигом (см. рис. 1).
Для повышения интенсивности и минимизации неравномерности деформирования заготовки в контейнере, увеличения позитивного эффекта макросдвига (см. рис. 1, б) необходимо осуществлять двухпозиционное активное воздействие на нее нормальной силой Р со скоростью V от пресс-штемпеля
пш ^ пш ^
и касательной силой трения 7кз со скоростью трения vкз>vпш; обе оказывают на металл сжимающее воздействие, будучи направленными в сторону истечения металла через матрицу (см. рис. 1, в). Наибольшие возможности интенсификации и регулирования деформирования, включая глубину макросдвига как суммы зоны 4 и часть зоны 2, соответствуют условиям максимального трения в контейнере при:
>т , Т
Р при 6 и
5 ~ опт
/V =(1 +1 )/1
V к.з' пш 4 к.з м.зу/ к
(1)
где тк
максимальное активное напряжение трения;
кинематический коэффициент в начале активно-обратного прессования, определяемый для геометрического условия выравнивания в канале матрицы течения частиц металла по оси и вдоль периферии полости «контейнер-матрица», Р^Н^оопвЪ р5=рпш+ткз (постадийно);
Р ^тах, Т ^тт, (2)
пш к.з
где Нп - ход прессования.
Благодаря вязкости материала, прессуемого в таких условиях (см. рис. 1, в), зона деформационно-активного макросдвига под сжимающим воздействием напряжений трения ткз распространяется от рабочей поверхности полости контейнера вглубь, до оси (в идеальном случае). Контрпримером этому служит горячее прямое прессование алюминиевых сплавов без смазки (см. рис. 1, а).
Сравнивая зоны «сверхдеформаций сдвига» при прямом прессовании [12] с максимальным сопротивляющимся течению трением от инструмента (см. рис. 1, а) и «активного макросдвига» при активно-обратном прессовании с максимальным содействующим течению трением (см. рис. 1, в), определяем кардинальные различия в деформировании одинаковых пар элементов координатной сетки (заштрихован-ны): в первом случае они претерпевают чрезмерно большую сдвиговую деформацию с растяжением (такой альянс - основная причина технологической неравномерности дефор-
т
мирования, трещин, пресс-утяжин и крупнокристаллического ободка) [12, 13], во втором случае имеет место металлургически оптимальный, умеренный макросдвиг - со сжатием в направлении течения и уширением в поперечном направлении (см. заштрихованные элементы на рис. 1, в), что, как установлено [14], исключает образование дефектов и неравномерность деформирования.
Таким образом, способ интенсивного горячего активно-обратного прессования без смазки, реализуемый в условиях максимального трения в контейнере, оптимально опережающего пресс-штемпель, и создающий эффективно действующий режим интенсификации и регулирования деформирования посредством взаимодействия активных напряжений трения, скорости смещения пары «контейнер-заготовка» и глубины зоны активного макросдвига, является, по-видимому, первым прототипом нового управляемого способа прессования с содействием трения и макросдвига. Это подтверждено, прежде всего, нашими изобретениями и публикациями, которые не воспрепятствовали известным заимствованиям, и признано в мире [8, 9]. Этот прототип явился базовым звеном в цепочке идеологических аналогов - способов ОМД.
Опубликованы некоторые работы автора, начиная с 1985 г. [15], с предложением к специалистам формировать новое направление развития ОМД с технологическим использованием напряжений трения, особенно, для развития производства изделий из трудноде-формируемых алюминиевых, магниевых, медных, титановых сплавов и гранулопорошко-вых материалов.
К настоящему времени такое направление, в основном, сформировано, поэтому данной статье придана также собирательная функция с научной систематизацией введенных способов ОМД.
О разработке научных положений для развития ОМД посредством технологического использования напряжений трения с макросдвигом
До появления первых аналогичных разработок за рубежом автором и сотрудниками в СССР были сформулированы следующие на-
учные положения с соответствующим публикованием [10, 11, 16]:
1. Содействие активных напряжений трения с сопутствующим макросдвигом в деформируемой заготовке целесообразно использовать, в первую очередь, для совершенствования горячих процессов прессования, штамповки выдавливанием и брикетирования без смазки применительно к указанным выше сплавам.
2. В процессах с продольным типом деформирования и истечения (группа А), являющихся базовыми для принципиальной переработки, было рекомендовано использовать в качестве инициаторов технологически активного продольного трения с макросдвигом рабочие поверхности таких инструментов, как приводные контейнер, пресс-игла и формообразующая матрица, учитывая, что энергетический резерв трения превалирует в полости контейнера. В СССР впервые разработаны процессы ОМД с приводным контейнером [14].
3. Использование приводной двух- или многовалковой матрицы (рис. 2), реализую-
Рис. 2. Схема прямого прессования прутка из контейнера через приводную валковую матрицу:
1 - пресс-штемпель; 2 - неподвижный контейнер; 3 - принудительно вращаемые валки; 4 - прессуемый пруток; Р и V - усилие и скорость прессования;
1 у пш пш у ' '
Зкз и 3вз - напряжения трения, передаваемые от контейнера и валков на деформируемую заготовку; ОЧПЗ - обжимающая часть пластической зоны; Мкр - крутящий момент; vв>vпш - скорость вращения валков; ш - скорость истечения металла
щей активные напряжения трения с макросдвигом в ОЧПЗ (группа В), создает альтернативу техническому решению с контейнером -более мощным инициатором таких напряжений (см. п. 2), но является рациональным дополнением, расширяющим технологические возможности прессования и выдавливания [14]*.
4. Интенсивному пластическому деформированию материала в ОЧПЗ, истекающему под углом 90-150°, можно придать равномерный характер и увеличить глубину проработки зе-ренной струтуры, если дополнить способ поперечно-углового прессования [17] приводными элементами инструмента в качестве инициаторов технологически активного трения - валком (рис. 3, а) или плитой (рис. 3, б).
лирования способа Conform (рис. 4, а), а в СССР В.М. Сегалом известное угловое прессование [17, 18] трансформировано в равнока-нальное (РКУП) (рис. 4, б), разработки которого позднее запатентованы им в США [19].
а 6
Рис. 3. Варианты углового (а) и поперечного (б) прямого прессования из контейнера с воздействием активных напряжений трения со стороны приводных валка (а) и плиты (б):
1 - пресс-штемпель с фиксированной пресс-шайбой;
2 - специальный контейнер; 3 - место размещения формообразующей матрицы; 4 - приводной валок (у>уш); 5 - приводная плита (V ^ ); Р и V - усилие и скорость
1 " х пл пш' пш пш у '
прессования; ^ и vm - скорости принудительного движения валка и плиты; з , з и з - напряжения трения,
к.з' в.з пл.з 1 1 '
передаваемые от контейнера, валка и плиты на деформируемую заготовку; щ - скорость истечения металла
Эти новые технические решения, предложенные в 1968-1969 гг. автором совместно с Я.М. Охрименко [14, 17, 18], частично отражены в более поздних разработках: в Англии в 1971-1972 гг. опубликованы патент и результаты лабораторного физического моде-
* Здесь и далее ссылки об инновациях даны, в основном, на публикации, содержащие их суть и некоторый анализ.
Рис. 4. Базовые варианты Conform (а) и РКУП (ECAE) (б):
1 - рабочий валок (колесо); 2 - кольцевая канавка; 3 - прижимной башмак; 4 - обойма; 5 - упор; 6 - варианты матриц; 7 - прутковая заготовка легкодеформируемого материала; 8 - изделие; 9 - пресс-штемпель; 10 - заготовка; 11 - контейнер с пересекающимися каналами одинакового сечения; I и II - элементарный объем соответственно до и после деформирования простым сдвигом в зоне с плоскостью 001; 20 - угол между осями каналов; о1 и v1 - нормальное давление и скорость движения пресс-штемпеля; о2>0 и v2=v1 - вариант РКУП с приложением противодавления истечению материала; K - предел текучести материала на сдвиг; * - вектор скольжения на плоскости 001.
5. В качестве инициаторов технологически полезных напряжений трения другого типа, проявляющихся в поперечных истечению плоскостях (группа С), можно применять в отдельных случаях прессования, волочения и штамповки или осадки рабочие поверхности таких приводных инструментов, как пресс-шайба (или пуансон), пресс-игла (или прошивень), а также обычная матрица и фильера или торец противопуансона, на которых при поперечном вращении создаются для передачи деформируемому металлу заготовки полезные тангенциальные напряжения, которые не являются активными по современной системе понятий.
Необходимо иметь в виду, что тангенциальные и поперечные напряжения трения сопровождаются макросдвигом лимитированной глубины, что ограничивает технологичес-
кие возможности процессов ОМД по длине заготовки и т.п.
Заметим по пп. 1-5, что уже эти первые научные положения были использованы в ряде отечественных и иностранных разработок, совершенствующих процессы ковки [20] и штамповки [21], а также в ряде инновационных процессов, в первую очередь в Conform (Англия), Extrolling и Linex (США) [5, 14].
6. Как показано автором [5, 14], именно в условиях активно-обратного прессования при содействии максимальных активных напряжений с макросдвигом, реализуемым в рамках оптимальной величины рабочего кинематического коэффициента Kv [т.е. в соответствии с выражением (1)], достигаются проявления двух важных для технологии прессования физических эффектов:
- объемный деформационный эффект активного трения (ОДЭАТ) [4, 23], характеризующийся уникальными возможностями выравнивания фронта истечения металла через канал матрицы и получения выраженного максимума конечных деформаций в центре потока, а также возможностью минимизации вездесущей анизотропии механических свойств;
- уникальная реализация существенной послераспрессовочной стадии активно-обратного прессования одним контейнером (без давления со стороны пресс-штемпеля) [11].
Как показано в ряде работ [9, 14, 24], это новое физическое явление - ОДЭАТ, реализованное в опытно-промышленных условиях и будучи регулируемым, имеет перспективы в производстве специальных пресс-изделий.
Условиям ОДЭАТ также соответствует эффект максимизации глубины зоны активного макросдвига, реализуемый в определенном интервале коэффициента вытяжки. При этом очевидно, что вторичный эффект прессования без пресс-штемпеля нашел также воплощение в английском бесштемпельном процессе Conform и американских бесштемпельных процессах Extrolling (рис. 5, а) и Linex (рис. 5, б), т.е. в представителях непрерывной технологии [15, 22].
Относительная глубина зоны активного макросдвига определяется эмпирической зависимостью, разработанной автором:
Рис. 5. Схематические изображения способов ЕжЬгоШпд (а) и Ипеж (б):
1 - корпус; 2 - заготовка; 3 и 4 - нижний и верхний приводные валки с канавкой; 5 - матрица, установленная за расширительной камерой; 6 - изделие; 7 и 8 - верхняя и нижняя гусеничные цепи (траки), жестко направляемые плитами при перемещении вдоль заготовки с помощью зубчатых колес; 9 - матрица; т и V - напряжение и скорость трения на контакте
тр.з тр.з 1 1 1
траков и заготовки
где 5а
5 =S /R=QKV2, (3)
s а.с' к k v' 4 >
глубина зоны активного макросдвига;
Як - радиус полости контейнера;
С6 - коэффициент, зависимый от заданной степени деформации, С6=0,175-0,3 (0,175 - для 6<4 и 6>40, а 0,3 -для 6=6-25, т.е. для промышленно актуального диапазона коэффициента вытяжки).
Экспериментально показана возможность достижения максимума бз=0,9 при К.41,6 и б(>1, где 5(=£зДк - показатель температурного градиента между заготовкой и контейнером.
7. В определенных условиях холодного и теплого активно-обратного прессования алюминиевых сплавов со смазкой автором установлено и исследовано (1965-1971 гг.) [5, 10, 14] другое физическое явление - периферийный эффект гидродинамического трения (ПЭГДТ), выражающийся в образовании в прессуемой заготовке неглубокой периферийной зоны макроструктурного сдвига и на матрице - зоны гидроаммортизатора (обе -под действием активных напряжений полужидкостного трения в слое течения смазки, опережающей прессуемый металл под давлением - группа О).
Научные особенности ПЭГДГ и технологические возможности его реализации показаны, например, в работе [14].
Результаты исследований ПЭГДГ также были востребованы и получили развитие в нашей стране и за рубежом [14, 25].
8. Рассматриваемый здесь макросдвиг металла прессуемой заготовки как результат кинематико-силового воздействия активных напряжений трения при определенном интервале величин кинематического коэффициента активно-обратного прессования (АОП) или другого подобного ему процесса ОМД с направленным формированием зонообразова-ния и потока металла (см. рис. 1, а, б -характер течения потока и его зонообразова-ние в полости, образованной контейнером, пресс-шайбой и матрицей) хорошо изучен в работах автора. Более того, применительно к базовому в этом случае процессу АОП макросдвиг был впервые теоретически представлен в разработанных автором модификациях графоаналитических методов верхней оценки [3, 11] (1966-1970 гг.) и конечных элементов [14] (1980-1982 гг.) с использованием визиопластической процедуры обработки деформированной при прессовании координатной сетки в меридиальной плоскости составных заготовок.
Заметим, что в середине 60-х гг. метод верхней оценки (МВО) был разработан в достаточной мере только для теоретического случая зкз40 [26] (рис. 6, а), а при переходе к случаю зкз4тах предлагалось учитывать затраты на трение в верхней оценке удельного усилия прямого прессования следующей прибавкой:
АЧ^к,/^ (4)
пластическая постоянная (напряжение внутрикристаллического сдвига);
площади контакта заготовки и контейнера и поперечного сечения полости контейнера соответственно.
При этом, разумеется, анализ формоизменения металла в контейнере (см. рис. 1, а) с помощью МВО не предусматривался [26]. Поэтому применительно к АОП, как наиболее сложному случаю прессования, разработана
модификация МВО [11], представленная на рис. 6, б, где активный макросдвиг учтен основным боковым блоком 3 и вспомогательными блоками 2 и 6 (подробнее в работах [11, 14]).
где К=т
Р и Р
к.з к
Рис. 6. Совмещение полей изотах и кинематически возможных полей линий скольжения (штриховые) при анализе обратного (а) и активно-обратного (б) прессования с помощью модифицированного метода верхней оценки:
1-7 - характерные зоны деформации; условия горячего АОП: ^кз=0,5; К =1,6; 6=9; установка АОП усилием 1/0,8 МН; 0зх^з=29,5х60 мм (свинец марки С1).
В дальнейшем эта идея была развита автором при модификации метода конечных элементов (МКЭ) [14] (рис. 7), что позволило минимизировать различия физических и теоретических зон деформации и уточнить результаты определения величин усилий, деформаций и скоростей.
В результате как в МВО, так и более детально в МКЭ, появились возможности охарактеризовать аналитические параметры и явления, происходящие в зоне макросдвига со сжатием.
9. Физический кинематико-силовой механизм измельчения зеренной структуры монолитных и гранулированных сплавов, обнаруженный автором в условиях (1) и (3) при
и тангенциального трения, передаваемых от инструмента деформируемой заготовке через следующие части ее поверхности (рис. 8): боковая часть заготовки (зона I), опорный (нижний) ее торец (зона II) и задний (верхний) ее торец (зона III), а также внутренняя поверх-ность полой или прошитой в процессе ОМД заготовки (зона IV). Подразумевается, что контактные поверхности пары инструмент - участок заготовки могут быть параллельны, перпендикулярны и под некоторым углом по отношению к вектору усилия деформирования Р .
Систематизированы по этим признакам соответству-
активно-обратном прессовании, связан с интенсификацией пластической деформации на микроструктурном уровне благодаря эффекту «сдвиг-пересдвиг со сжатием» (см. рис. 1, в, слева) и состоит в значительном уменьшении размеров фрагментов зеренной структуры [5, 14, 23, 24]. Аналогичные результаты показаны позднее при ковке по специальным режимам деформирования заготовок с организацией направленных макросдвиговых потоков [20].
Представленные здесь научные положения являются составляющими разрабатываемой автором теории технологически эффективного взаимодействия инструмента и деформируемого материала.
Принципы систематизации нетрадиционных способов ОМД с содействием трения и макросдвига
На основании изложенного выше предлагается рассматривать и проектировать нетрадиционные способы ОМД с технологическим использованием трения и макросдвига, принимая во внимание следующую схему дополнительных видов кинематико-силового воздействия в виде напряжений и скоростей поступательного (продольного), поперечного
Рис. 7. Поле изотах (а) и кинематически возможное блочное поле скоростей (б) при анализе активно-обратного прессования из неподвижного контейнера с помощью модифицированного метода конечных элементов:
1-28 - треугольные блоки, охватывающие участки пластической области с постоянной скоростью, адекватные данным изотах; 1-ХХ - узловые точки, варьируемые для поиска оптимального решения; условия горячего АОП: ^кз=0,5; О =40 мм; свинец марки С1; К =1,3; 6=13,5; V ^ ; пятиканальная матрица
к 1 V к пш 1
Рис. 8. Кинематико-силовая схема позиционирования дополнительных видов воздействий на деформирование заготовки в разных нетрадиционных процессах ОМД:
I, II, III, IV - соответственно поверхности воздействия через боковую часть заготовки, ее опорный и задний торцы, внутреннюю поверхность; Рд и vn - усилие и скорость деформирования; зкз и v^ - активное напряжение и скорость трения в контейнере; зиз, уз - активное напряжение и скорость трения, передаваемые от иглы заготовке; з и v - аналогичные им параметры,
' им.з им.з 1 1 '
относящиеся к направленному воздействию ультразвуковых колебаний и вибраций; т( и vt - тангенциальное напряжение и скорость трения; зпу и v - поперечно-угловое напряжение и скорость трения .
ющие нетрадиционные способы ОМД, опубликованные по данным от проектно-расчет-ной стадии до внедрения. Установлено, что структуру нового направления ОМД составляет не менее 65 способов деформирования с технологическим использованием напряжений трения со сдвигом металла заготовки, которые определенно относятся к областям прокатки, прессования, волочения, брикетирования и формования металлических и ме-таллокерамических материалов, штамповки (объемной и листовой), ковки, гидропрессования, равноканального деформирования, высадки на ГКМ, комбинированных процессов (например, прокатно-экструзионных). Этим список не заканчивается.
С методологической целью ниже приведен следующий информационный блок основных вариантов интенсификации деформирования воздействием через боковую поверхность заготовки (зона А) только для областей прессования, штамповки выдавливанием и брикетирования в условиях максимизации полезных напряжений трения с макросдвигом в заготовке как в объекте их воздействия (см. рис. 8).
Группа А. Максимальная активизация продольных напряжений трения, переносимых от инструмента на боковую поверхность заготовки с развитием макросдвига вглубь потока металла в зоне I представлена следующими вариантами интенсивного деформирования:
А1. Горячее активно-обратное продольное прессование в условиях ОДЭАТ без смазки, осуществляемое при з >з и V >у по шести
к.з з к.з пш
предлагаемым кинематико-силовым схемам
активно-обратного прессования [14], три из которых (рис. 9) наиболее доступны для промышленного применения:
- прессование через неподвижную матрицу с опережающим пресс-штемпель движением контейнера (см. рис. 9, а);
- прессование из неподвижного контейнера через матрицу в шплинтоне, опережающем пресс-штемпель (см. рис. 9, б);
- прессование с неподвижным пресс-штемпелем через матрицу в подвижном шплинтоне из контейнера, движущегося в обратном направлении (см. рис. 9, в).
Эти варианты предложены и исследованы в 1965-1973 гг. В.Л. Бережным и Я.М. Охри-менко с сотрудниками с последующей разработкой базовых режимов равномерного и интенсивного истечения и других режимов для специальных применений [14].
А2. Горячее активно-угловое прессование без смазки, осуществляемое из контейнера с разъемной по длине втулкой, подвижная часть которой используется при x'K3>xs и v'K>vn для интенсификации и выравнивания течения и пластического деформирования.
Этот вариант определен по результатам исследований В.Л. Бережного с участием Я.М. Охрименко в 1965-1968 гг. и позднее реализован в расчетно-проектной работе [17, 19] применительно к модификации РКУП (ки-нематико-силовое воздействие t'k Jv'K 3 на заготовку выше точки на рис. 4, б).
А3. Прокатно-экструзионный способ Conform, осуществляемый при подаче из бунта прутковой заготовки, которая с помощью
Рис. 9. Основные кинематико-силовые схемы активно-обратного прессования, оптимально реализуемые при обеспечении гидросвязи приводных цилиндров пресс-штемпеля и контейнера - I, контейнера и матрицедержателя (шплинтона) - II, пресс-штемпеля и шплинтона - III:
1965, 1967 и 1968 - годы разработки схем I, II и III; Рпш, Рк, Рм и vк, ^ - усилия и скорости перемещения пресс-штемпеля, контейнера и матрицы
трения при xK3=xs и vB3>vn захватывается калибром, разогревается и экструдируется через матрицу (см. п. А2, рис. 3, а и 4, а). Иными словами, установка Conform использует функции термодеформационного нагревателя и экструзионного устройства без пресс-штемпеля, а вращающийся валок с рабочим желобом и неподвижным башмаком для бокового подпора - функцию тянуще прессующего «бесконечного» контейнера, как условия для осуществления производства непрерывно прессуемых изделий малого сечения.
Вариант прототипа Conform запатентовал и физически промоделировал D. Green, Англия, в 1971-1972 гг. [14, 27].
Хотя модификации Conform сужены использованием только легкодеформируемых материалов и получением пресс-изделий малого сечения [27], но они получили существенное распространение в мировой промышленности.
А4. Непрерывный способ прессования Linex (см. рис. 5, б) осуществляется подобно активно-обратному прессованию с помощью опережающего движения контейнера (см. рис. 9, а). Однако в этом случае использован «траковый» контейнер, захватывающий сверху и снизу плоскую заготовку без смазки, при том, что неподвижные боковины в калибре подвергаются смазке. Кинематико-силовые условия близки к выражениям зтрз<х5 и Урз>Уп.
Этот способ запатентован в Англии в 1974 г. и получил некоторое развитие для прессования легкодеформированных алюминиевых сплавов и порошковых материалов, имея преимущества перед Conform в части увеличения сечения калибра, но при коэффициенте вытяжки 6<10-12 [27].
А5. Горячее брикетирование гранулированных алюминиевых сплавов в закрытой полости контейнера без смазки в условиях з >з и v >v, , т. е. c технологически актив-
к.з s к.з ор
ным трением:
- прототипом этому способу можно считать техническое решение применительно обработке металлических и металлокерами-ческих порошков (США, 1958-1960 гг. [6]);
- более совершенная модификация способа брикетирования, предложенная В.Л. Бережным в 1978 г. [28] и исследован-
ная совместно с А.С. Пасхаловым [24, 29], включает физические эффекты соответственно интенсификации деформирования и развития макросдвига при использовании контейнера с конусной рабочей полостью [14] и организации течения материала в контейнере по схеме «сдвиг^пересдвиг» (см. рис. 1, в) при реализации максимального трения;
- применительно к формованию и штамповке порошковых сталей известны технические решения для холодного деформирования, предлагаемые А.М. Дмитриевым с сотрудниками [30], близкие к прототипу [6] и рекомендуемые в области умеренного трения, даже с дозированным использованием смазочных средств (т.е. ткз<<т5).
Поскольку в этом случае уменьшается металлургический эффект формирования режима интенсивного деформирования с развитием зоны макросдвига, то его целесообразно рассматривать в качестве дополнительного -для производства мелких деталей.
Заметим, что к этому перечню вариантов, относящихся к зоне I (см. рис. 8), можно добавить более 10 вариантов, если расширить границы фрикционных условий ОМД. В числе этих вариантов будут указаны способы штамповки и прессования с активными касательными напряжениями в слое смазки, зонах действия ультразвуковых колебаний и виброколебаний [8, 13, 14, 21, 22], а также гидростатического и периферийно-поточного прессования (с опережающим течением жидкости и разогретого или плакирующего периферийного металлического слоя заготовки [13, 14] и др.
Аналогично группе А строятся системные перечни основных вариантов интенсификации деформирования воздействием через зоны II, III и IV с учетом разделения на группы В, С, D (по виду механизма воздействия на деформирование заготовки).
Заключение
Анализ результатов исследований, в том числе промышленных, показывает, что большинство нетрадиционных способов ОМД с использованием напряжений трения с макросдвигом по сравнению с традиционными способами имеют явные и значительные тех-
з , v /vV ^max,
и.з и.з' д з '
нико-экономические преимущества при производстве определенной номенклатуры деформированных полуфабрикатов и изделий. Одним из путей к поиску максимума в технико-экономической эффективности является, по-видимому, оптимизация роста показателя
(5)
где зиз - активное или полезное напряжение трения, передаваемое от инструмента заготовке; vиз - скорость относительного смещения
инструмента и заготовки; ^ - скорость деформирования заготовки;
V - объем заготовки.
з
По мере изучения данных об этой области нетрадиционных способов ОМД становится очевидным, что для корректного понимания их сути и производственных возможностей требуется определенное интеллектуально-профессиональное напряжение. Отчасти по этой причине разработчики и потребители сошлись, по-видимому, в том, что технологический арсенал этих нетрадиционных способов ОМД является потенциальным дополнением и заменой для тех привычных (традиционных) технологий ОМД, показатели которых начинают не удовлетворять потребителей устоявшегося мирового рынка, неторопливого даже в части изделий новой техники.
При необходимости технико-экономического обоснования замены или дополнения базового способа ОМД на конкретный нетрадиционный способ следует обращаться к разработчикам последнего или к их публикациям.
В общем плане следует иметь в числе наиболее заметных преимуществ многих нетрадиционных способов ОМД (см. рис. 8) перед их традиционными производственными аналогами следующие:
- минимизация технологической неравномерности, что ведет к значительному повышению скоростей деформирования и уменьшению неоднородности зеренной структуры и неравномерности механических свойств, де-фектообразования и затрат энергии;
- расширение технологических возможностей ОМД за счет повышения пластичности, в том числе на микроструктурном уровне, управления течением и деформированием благодаря вовлечению в процесс кинематико-силово-го воздействия на заготовку, а также минимизации анизотропии механических свойств продукта и, напротив, реализации производства изделий с функционально-градиентными свойствами, обеспечения консолидации гранул и ПМ, повышения качества поверхности.
Многие из этих нетрадиционных способов ОМД, в том числе в формате вариантов интенсивного деформирования, позитивно рассматривались на международных конференциях, а также публиковались в периодических журналах в виде обзоров и digests, научных статей (оригиналов и переводов), зачастую с комментариями.
К примеру, результаты исследований и освоения процессов прессования и брикетирования с активными напряжениями трения в контейнере заинтересовали ряд известных журналов в США, Англии, Франции, Германии, Венгрии, Италии, Японии, Румынии. Поэтому в этих странах проводятся соответствующие работы от НИОКР до опытно-промышленных проверок и внедрения ряда рассмотренных нетрадиционных способов ОМД.
Для дальнейшего развития данного нового технологического направления в ОМД целесообразно учесть ключевые научные положения об интенсивном деформировании при содействии напряжений трения с макросдвигом, представленные здесь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зибель Э. Обработка металлов в пластическом состоянии/Пер. с нем. - М.-Л. - Свердловск: ОНТИ, 1934. - 316 с.
2. Павлов И.М. К вопросу о взаимодействии обрабатывающего инструмента и пластически деформируемого тела//Изв. АН СССР. Отделение техн. наук. 1949. № 1. С. 85-98.
3. Bridgman P.W. Studies in Large Plastic Flow and Fracture - N.Y.: Mo Graw-Hill Bode Co, 1952 (Исследование больших пластических деформаций* и разрыва. - М.: ИЛ, 1955. - 444 с.).
* От автора: точнее «течений».
4. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Часть I. Молоты. - М.: Машгиз, 1953. C. 191.
5. Бережной В.Л. Исследование продольного прессования с принудительным движением контейнера: Автореф. дис. канд. техн. наук -М.: МИСиС, 1968.
6. Де Гроат Дж. Производство изделий из металлического порошка/Пер. с англ. - М.: Машгиз, 1960. - 200 с.
7. А.с. 143009 СССР. М.Кл.2 В 21 С 23/08. Способ прессования полых профилей с подвижной иг-лой/Шевакин Ю. Ф., Рытиков А .М., Кашу-рин А.В. Заявл. 10.01.1962//Бюл. 1963. № 23. C. 36.
8. Avitzur B. Handbook of Metal - Forming Processes. - New York: Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, A Wiley - Interscience Publication, 1981. - 348 c.
9. Benedyk J.C. Friction - Assisted Extrusion of Aluminum Alloys: A Review of the Russian Literature//Light Metal Age. 1983. August. P. 1718.
10. Okhrimenko Ya.M., Berezhnoy V.L. Extrusion on presses with an independently operating container//The Soviet Journ. on Non-Ferrous Metals. 1969. № 5. P. 90-93. - New York: «Allerton Press Inc», USA/Пер. из журн. «Цветные металлы». 1967. № 5. С. 76-79.
11. Okhrimenko Ya.M., Berezhnoy V.L. Analysis of active extrusion by the visual plasticity and upper limit methods//The Soviet Journ. on Non-Ferrous Metals. 1972. № 2. P. 57-60. - New York: «Allerton Press Inc», USA/Пер. из журн. «Цветные металлы». 1970. № 2. C. 55-59.
12. Laue K. and Stenger H. Extrusion: Processes, Machinery, Tooling. ASM. Metals Park, Ohio, 1981. - 457 p.
13. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 447 c.
14. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. - М.: Металлургия, 1988. - 296 c.
15. Бережной В.Л. Истоки и особенности нового технологического направления развития прес-сования//Кузнечно-штамповочное производство. 1985. № 12. C. 10-12.
16. Okhrimenko Ya.M., Berezhnoy V.L., Shcher-ba V.N., Sharikov G.S. A new highrate extrusion process for alloys of low ductility//Light Metal Age. April. 1973. № 3, 4. P. 27-30/Пер. из журн. «Кузнечно-штамповочное производство». 1972. № 1. C. 6-9.
17. Охрименко Я.М., Бережной В.Л. Особенности и возможности углового прессования с на-
клонным каналом матрицы//Известия вузов. Черная металлургия, 1968, № 9. C. 125-127.
18. А.а 550194 CCCR М. Кл.2 В 21 С 25/02. Устройство для поперечно-углового прессования изделий. Заявл. 19.02.1969//БИ. 1977. № 10.
19. Бережной В.Л. Технологический анализ рав-ноканального углового прессования заготовок //Технология легких сплавов. 2007. № 1. C. 109-116.
20. Тюрин В.А. Дополнительные макросдвиги -технологические резервы ковки//Кузнечно-штамповочное производство. 1993. № 12. C. 8-9.
21. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением/Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П., Картак Б.Р., Ашпур Ю.В., Спасский Ю.И. - М.: Металлургия, 1976. -416 c.
22. Benedyk J.C. Review and Analisis of Emerging Extrusion Processes Part II: The Evolving Role of Friction in Hot Extrusion//Light Metal Age. 2001. October. № 9, 10. P. 6-14.
23. Okhrimenko Ya.M., Berezhnoy V.L. Bulk Effect of Active Friction Stresses at Metals Extrusion// Soviet Journ. on Non-Ferrous Metals. 1985. May. P. 83-88, «Allerton Press», USA/Пер. из журн. «Цветные металлы», 1975, № 3. С. 55-59.
24. Бережной В.Л. Технологически многоцелевое прессование с позитивно-активным трением //Металлы. 2001. № 2. C. 41-47.
25. Berezhnoy V.L. Non-Traditional Process Techniques of Extrusion and Pressing// International Journal of Advanced Manufacturing Technology (England). 2000. № 16. P. 19-22.
26. Джонон В., Кудо Х. Механика процесса выдавливания/Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1965. - 175 c.
27. Корнилов В.Н. Непрерывное прессование со сваркой алюминиевых сплавов. - Красноярск: Изд-во педагогического института, 1993. -216 c.
28. Бережной В.Л. Особенности и перспективы обратного прессования, интенсифицируемого активным трением//Сб. докл. «Влияние высоких давлений на вещество», II Республ. cеми-нар АН УССР. - Киев: Наукова думка. 1978. C. 98-102.
29. Пат. 1656778 РФ. Способ изготовления прессованных полуфабрикатов из гранулированных алюминиевых сплавов/Бережной В.Л., Пас-халов А.С. Заявл. 2.03.1989//БИ. 1990. № 9.
30. Дмитриев А.М. О целесообразности создания нестандартного малогабаритного прессового оборудования//Технология легких сплавов. 2010. № 2. C. 87-94.
