CC BY
14
_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ_
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной
УДК 621.777
ОБОСНОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПОДХОДОВ К ДАЛЬНЕЙШЕМУ РАЗВИТИЮ БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕССОВАНИЯ
В.Л. Бережной, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: [email protected])
Конкретизирована основная проблематика базовых технологий прессования -отдельно для технологий прямого прессования с отсутствием и использованием смазочных материалов. Применительно к производству пресс-изделий из всей гаммы деформируемых сплавов и порошковых материалов - от алюминиевых и магниевых до никелевых и тугоплавких - предложены пять направлений дальнейшего развития этих технологий посредством оптимизации зеренно-струк-турного состояния сплавов и предпрессовой пластической обработки слитков, неполного замещения прямого прессования с использованием методов кинема-тико-силового, кинетического и температурного воздействий на технологическую неравномерность деформации и микроструктурную пластическую деформацию. Обосновано распределение по этим направлениям известных технических решений для выборочной разработки.
Ключевые слова: прессование без смазки и со смазкой, литье заготовки, "(i?)-
трудно-деформируемые сплавы, сверхпластичность, технологическое использование трения, пластифицирование слитков, противодавление, виброколебания, пластическая микроструктурная деформация.
Substantiation and Evaluation of Approaches to Further Development of Base Extrusion Technologies. V.L. Berezhnoy.
Main problems of the base extrusion technologies (separately for direct extrusion technologies with the use of lubricants and without them) are concretized. In conformity with production of extruded products in wrought alloys ranged from aluminium and magnesium alloys to Ni-base superalloys and refractory ones, five trends of further development of these technologies are offerred. The development can be carried out by means of optimization of grain structural state of the alloys and preextruding plastic working of ingots, incomplete replacement of direct extrusion with the use of techniques of kine-matic-and-force, kinetic and temperature positive actions on technological nonunifor-mity of deformation and microstructural plastic deformation. Distribution of the known technical solutions according to these trends for selective development is substantiated.
Key words: extrusion with and without lubricants, billet casting, difficult-to-deform alloys, superplasticity, technological use of friction, plasticization of ingots, backpressure, vibrations, plastic microstructure deformation.
Введение в проблематику
Прессование как важнейший вид металлообработки давлением должно оставаться в фокусе НИОКР, прежде всего, для определе-
ния условий достижения конкретно требуемых характеристик зеренно-структурного и геометрического формирования потока материала из контейнера через матрицу.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
На сегодня за технологиями горячего прессования «закреплен» почти весь перечень металлов и металлических материалов, основная часть которых приведена здесь по группам в порядке увеличения исходной температуры прессуемых заготовок и уменьшения объемов потребления соответствующих пресс-изделий [1-3]:
1. Алюминий, магний, цинк и сплавы на их основе, прессуемые при разной температуре в общем интервале от 250 до 520 °С.
2. Медь и сплавы на ее основе (от 600 до 875 °С).
3. Сталь, титан, никель, сплавы на их основе (от 700 до 1250 °С).
4. Тугоплавкие металлы - молибден, ниобий, хром, вольфрам, тантал, ванадий и сплавы на их основе (от 1200 до 1600-2200 °С).
К этому списку примыкает немалое число других материалов, в том числе порошковых гранулированных и композиционных [2, 3]. Отметим, что на производстве приняты начальные температуры контейнера и матрицы 400-450 °С, а температура отпуска инструментальных сталей не превышает 650 °С [4].
Уникальные производственные возможности прессования для металлообработки могут ограничиваться в основном: а) повышенной неравномерностью деформирования, б) неприемлемым сопротивлением деформации и в) недостаточно технологичной геометрией рабочей поверхности матрицы (ее основные варианты - плоская, вогнутая, выпуклая). При этом факторы «а» и «б» взаимосвязаны и зависят от фактора «в», величины и направления контактных напряжений трения, передаваемых заготовке, формы рабочей полости пресс-инструмента и неравномерности температурного поля, а также неоднородности зеренной структуры в объеме заготовки [1, 4].
В производстве пресс-изделий на гидропрессах используются в разной мере технологии прямого, обратного, гидростатического и активно-обратного прессования, последовательно введенные в промышленность в период от середины 1890-х до конца 1970-х гг. [1, 4-6].
При этом мировой парк экструзионного оборудования включает не менее 85 % гидропрессов с приводным пресс-штемпелем и
с неподвижным формообразующим инструментом (блок контейнера и матрицы) для прямого прессования, как обладающих наиболее широкими производственными возможностями в отношении сортамента и номенклатуры пресс-изделий и отличающихся сравнительной простотой в эксплуатации и высокой ремонтопригодностью.
Базовая технология прямого прессования реализуется в промышленности в двух вариантах:
А) с использованием разных технологических смазочных сред и материалов, разделяющих заготовку и инструмент;
Б) при непосредственном контакте заготовки с контейнером.
До сих пор вариант А, сопровождающий прямое прессование с момента его реализации, охватывает металлы и сплавы в группах 2-4, а вариант Б появился позднее и находит применение в группе 1 (исключения здесь весьма редки, например, прессование бурильных труб с технологической смазкой [4]).
Необходимо отметить, что использование технологических смазок и вогнутых матриц для прессования малопластичных материалов из групп 2-4, предписанное необходимостью кардинального уменьшения уровней неравномерности течения и сопротивления деформации, а также защиты инструмента от чрезмерно высоких температур и износа, весьма значительно ограничило номенклатуру прессованной продукции, поскольку размещение в таких конусных матрицах конструктивно и технологически оптимального канала усложненной конфигурации, в том числе несимметричной, всегда проблематично. Поэтому указанные к концу перечня в группах 2-4 труднодеформируемые материалы обычно прессуются в форме простых профилей и промзаготовок [1-3].
Наряду с этим «родовым» недостатком, развитие прямого прессования с технологической смазкой сдерживают следующие проблемы: весьма ограниченная прессуемость ряда тугоплавких сплавов; неудовлетворительное для заказчика состояние поверхности и чрезмерно упрощенная конфигурация прессованных полуфабрикатов; усложнение технологического цикла при использовании
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
двух- трехслойных и металлических смазочных материалов;ограниченная стойкость дорогостоящих матриц и т.д.
Очевидна необходимость усиления внимания к решению этих проблем технологии прямого прессования (А) материаловедческими методами, в первую очередь, для повышения технологичности (прессуемости) многих тугоплавких и жаропрочных сплавов и порошковых материалов, без чего типовые характеристики пресс-изделий, фиксируемые в стандартах, будут сдерживать развитие таких отраслей, как авиационная, ракетно-космическая, атомная, энергетическая, автомобильная, электронная [2, 3, 7].
Иначе характеризуется состояние технологии прямого прессования через плоскую матрицу без использования смазочного материала на контакте заготовки с контейнером (Б). В этих условиях прессование давно продемонстрировало свои уникальные возможности при переработке алюминиевых и магниевых сплавов (группа 1) с достаточной технологической пластичностью. Рекордные технико-экономические результаты достигнуты при поточном производстве конструкционных профилей (сплошных и пустотелых) из мало-и среднелегированных легкопрессуемых алюминиевых сплавов серий А!-Мд-в1 и А!-2п-Мд [2, 8]. Известно, что четверть мирового потребления алюминия приходится на такую продукцию, а разнообразие ее конфигураций оценивается на уровне 35000-40000 типоразмеров.
Однако здесь проблематика фокусируется на недостатках прямого прессования через плоскую матрицу при переработке труд-нодеформируемых высоколегированных алюминиевых и магниевых сплавов, а именно [1, 4, 6, 8]: пониженная производительность; неоднородность зеренной структуры и неравномерность механических свойств пресс-изделий и прессованных промзаготовок; значительные энергозатраты на прессование с малыми технологически допустимыми скоростями (во избежание разрушения полуфабриката); характерные для этих сплавов дефекты прессования (пресс-утяжины, трещины, крупнокристаллический ободок и др.); экономически недостаточный выход годного из-за геометрического отхода и брака; ограничения в
производстве профилей требуемой сложности и др.
Заметим, что применительно к проблематике технологии прессования без смазки, не только сплавов из группы 1, но и некоторых сплавов на основе меди и титана [1, 2, 6] можно подобрать немало известных технических решений и рекомендаций по результатам исследований и конкретной аналити-ко-экспериментальной проверки (см. ниже).
Проведение указанных выше работ торопит современная финансово-экономическая ситуация в мире и новые потребности локально и структурно меняющейся системы передовой техники, которые ставят, например, задачи дальнейшего развития или логического замещения для производства некоторых деформированных полуфабрикатов базовых экструзионных технологий прокатными/волочильными. Этот процесс уже «пошел» [2].
Методические пояснения по данной работе
Исходя из вышеизложенного и собственных аналитических и экспериментальных исследований, автор делает попытку задействования ряда известных технических решений для существенного совершенствования и «многоцелевого» развития экструзионной техники, прежде всего горячего прямого прессования без смазки через плоскую матрицу, т.е. одного из базовых способов, обладающего наибольшими производственными возможностями увеличивать и разнообразить номенклатуру пресс-изделий из легких металлических материалов (в первую очередь, алюминиевых и магниевых сплавов благодаря умеренной температуре деформирования).
Что же касается металлов и сплавов из групп 2-4, то они прессуются через вогнутую матрицу с разделением заготовки и пресс-инструмента слоем смазочного материала, но, к сожалению, с неполным воплощением антифрикционной, термоизолирующей и несущей функций из-за повышенных уровней температуры, окисления при нагреве и сопротивления деформации [1-4].
Вовлечение в статью известных технических решений проведено после аналитической
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
и технологической оценок возможностей существенного улучшения условий и результатов базового прессования без смазки. Принято, что искомое развитие базового прессования должно подтверждаться в этих публикациях позитивными изменениями в характере течения, зонообразования, в экструзионных диаграммах усилий и температур, а также в данных об изменении неравномерности деформаций. А улучшение результатов прессования под воздействием таких условий должно так же констатироваться по опубликованным данным о повышении характеристик качества и механических свойств пресс-изделий, приближении пресс-изделий по конфигурации (геометрии сечения) и размерам к готовым деталям для машин и конструкций.
Здесь имеется в виду, что содержащий существенные, тем более кардинальные позитивные изменения, каждый модифицированный вариант технологии прессования дает продукцию, способную обновить соответствующие стандарты в сторону ожидаемого потребителями ужесточения требований, разумеется, не приемлемых для конкурирующих способов ОМД, литья и т. п.
Технические решения применительно к вариантам модифицирования базового способа прямого прессования без смазки выбраны по их способности вызвать позитивные кине-матико-силовые и/или кинетические преобразования процесса деформирования.
При этом учтено, что дополнительное ки-нематико-силовое и/или термическое воздействия ведут к позитивным изменениям в поперечных потоку распределениях и величинах макродеформаций удлинения (или сжатия) и сдвига и локальных скоростей течения, разумеется, с уменьшением технологической неравномерности деформирования [6, 9, 10], а дополнительное кинетическое преобразование (оно зачастую сопровождает кинема-тико-силовые воздействия) ведет к позитивным изменениям, обычно с уменьшением сопротивления деформации и естественной или природной неравномерности пластической микродеформации [9, 10].
Возможности дополнительных воздействий, оцененные для совершенствования или частичного замещения базового способа пря-
мого прессования без смазки через плоскую матрицу, рассмотрены также на предмет отбора применительно к возможному совершенствованию второго базового способа прямого прессования - со смазочным слоем, разделяющим заготовку и инструмент.
В рамки методического инструментария аналитических исследований включены использованные в публикациях об указанных технических решениях* современные модели течения при прессовании без смазки [11] и со смазкой [1, 2, 4, 5], известные методы координатных сеток и визиопластичности для получения необходимых распределений деформаций и скоростей [4, 6], методы получения характеристик механических свойств в пресс-изделии и измерений температурных и силовых параметров, включая силы трения [4, 6].
Для исключения в статье возможных конфиденциальных технических данных опубликованные технические решения рассматриваются и распределяются по направлениям в виде целевых (без показа сути) формулировок.
Обоснование и оценка выбранных технических решений для дальнейшего развития возможностей технологий прессования без смазки
Развитие горячего прямого прессования с непосредственным контактом заготовки и инструмента сдерживается значительной технологической неравномерностью деформации, обусловленной влиянием контактного трения и температурных полей, формы рабочей полости инструмента с участком свободного выхода металла через канал (-лы) матрицы, фактической неоднородности зеренной структуры заготовки.
В этих условиях создается система взаимодействия различных, нормальных и касательных механических, а также термических напряжений, участвующих вместе со скоростными и геометрическими параметрами в формировании кинематико-силовых механизмов неравномерного течения и истечения
* В данной статье использованы публикации авторов и/или рекомендателей таких решений, а также соответствующие аналитические публикации других ученых.
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
материала с повышением сопротивления деформированию и развитием дефектообра-зования [1, 4, 6].
Однако фактически такое напряженно-деформированное состояние при прямом прессовании вызывает критические последствия только в производстве пресс-изделий и полуфабрикатов из средне- и высоколегированных труднодеформируемых сплавов на основе алюминия и магния, а также отчасти меди и титана (сектор ТД).
Что же касается экструзионного производства пресс-изделий (конструкционных профилей и труб с широчайшей номенклатурой) из легкодеформируемых алюминиевых сплавов (сектор ЛД), то оно, в основном, удовлетворяет пока современным требованиям производителей и потребителей, широко реализуясь на автоматизированных поточных линиях, осуществляющих все элементы технологической цепочки с последующей упаковкой готовых пресс-изделий для отправки. На таком техническом уровне за рубежом освоено производство конструкционных профилей из сплавов ряда с увеличивающейся прочностью типа 6063 ^ 6061 ^ 6082 ^ 7005 ^ 7020 [8].
В настоящее время по объему выпускаемой продукции из алюминиевых сплавов сектор ЛД мирового экструзионного производства превышает в 7-9 раз сектор ТД.
Становится очевидной необходимость развить традиционный способ прямого прессования через плоскую матрицу посредством освоения его модификаций, более адекватных особенностям обработки труднодеформируемых сплавов из группы 1 (типа 2014, 2024, 5056, 6070, 6013, 7039, 7075), чтобы приблизиться к востребованным характеристикам свойств и качества пресс-изделий и поднять технико-экономический уровень производства в секторе ТД. Иначе этот базовый способ прессования может оказаться частично замещенным другими способами прессования, а также прокаткой с последующим волочением.
Ниже предлагаются оптимизированные направления и входящие в них подходы и известные технические решения (в виде целевых формулировок) к поэтапному решению этой проблемы для производства в секторе ТД посредством оптимизации сплавов и пласти-
фицирующей предпрессовой обработки слитков, дополнительного кинематико-силового воздействия на технологическую неравномерность деформации и развития механизма уменьшения сопротивления пластической деформации на микроструктурном уровне.
Направление 1. Замещение традиционных марок алюминиевых и магниевых высоколегированных сплавов модифицированными или другими с приемлемыми для потребителей свойствами в пресс-изделиях, но с повышенной технологической пластичностью и пониженной адгезионной способностью.
Цель: кардинальное уменьшение сопротивления деформированию с улучшением прессуемости.
Примеры таких сплавов можно найти, сравнивая некоторые прочные сплавы из серий 2000 и 6000 [12, 13] (подход 1.1) или традиционные незакаливаемые сплавы серии 5000 и подобные им, но со скандием [13, 14] (техническое решение 1.2). Разумеется, более революционным мероприятием для данной задачи является «реконструкция» и оптимизация химического состава, например, с помощью скандия по фактору «сверхпластичность»* [15-17] (1.3). При этом технологическая неравномерность деформирования при прямом прессовании не должна быть критической [6].
Направление 2. Предпрессовая термомеханическая обработка сдвигом слитков для пластифицирования труднодеформируемых сплавов:
2.1) варианты равноканального углового прессования (продавливания без вытяжки через соответствующий канал контейнера) с использованием эффектов активного макросдвига и простого микросдвига** и определенной пластифицирующей термообработкой промзаготовки для ОМД с последующей закалкой пресс-изделий на повышенную
* Физическое явление сверхпластичности в сплавах Al с Zn открыто в нашей стране А.А. Бочваром и З.А. Сви-дерской (см. [15, 16]).
** Физическое явление интенсификации и увеличения деформации при угловом прессовании со значительной вытяжкой открыто в нашей стране в 1968 г. Я.М. Охримен-ко и В.Л. Бережным с последующим, в 1979 г., развитием В.М. Сегалом [18, 19] в формате РКУП, т.е. без вытяжки.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
прочность [18, 19], приближенные к промышленности. Здесь активный макросдвиг гарантирует минимизацию технологической неравномерности деформации [19, 21];
2.2) варианты бесконтейнерного прессования слитков-столбов с использованием активных напряжений трения от валковой матрицы и отчасти от податчика для получения существенного повышения технологической пластичности и снижения технологической неравномерности [20];
2.3) поперечно-угловое прессование с обжатием и прямым истечением в условиях совмещения активного макросдвига и простого микросдвига для изготовления промза-готовок и простых профилей с равномерными свойствами* [19, 21];
2.4) упругопластическая обработка слитков малоэнергетическим способом прямого прессования через принудительно вращаемую шариковую матрицу с получением цилиндрических промзаготовок с повышенной технологической пластичностью (впервые предложено и опробовано в МИСиСе, 1966 г.) [6, 22].
Примечание. Общие цели - то же (см. Направление 1) плюс устранение существенной неравномерности деформации.
Направление 3. Дополнение (в виде вариантов модификации) и/или неполное замещение традиционного способа прямого прессования через плоскую матрицу избранными режимами или способами прессования:
3.1) в постадийно изофрикционных условиях прямого прессования с уменьшением неравномерности деформаций согласно ткз/ам ^ тнп/сопэ! (где ткз - напряжение сопротивляющегося трения между контейнером и заготовкой; ам - нормальное напряжение (давление) на плоской матрице) [25];
3.2) с использованием продольных активных или поперечных, тангенциальных напряжений трения, передаваемых от пресс-иглы прессуемому материалу [6];
3.3) с использованием активных напряжений трения (в сторону истечения) при замене
плоской матрицы валковой с приводом принудительного вращения [6, 23];
3.4) с активным упругопластическим сдвигом заготовки в удлиненном контейнере и обратным истечением (применительно к изготовлению особо длинномерных профилей [6, 24]);
3.5) с постадийным регулированием активных напряжений трения, передаваемых от контейнера прессуемой заготовке с использованием активного сдвига** для устранения значимой технологической неравномерности деформации как условия повышения скоростей истечения и производительности, выхода годного и качества пресс-изделий, в т. ч. с функционально-градиентными свойствами [6, 24];
Примечание. При последовательном переходе от п. 3.1 до п. 3.5 растут эффекты уменьшения неравномерности и сопротивления деформированию, улучшения прессу-емости и многократно увеличиваются скорости истечения (в случае п. 3.5).
Направление 4. Управление температурными полями в объеме прессуемой заготовки и на ее границе с инструментом в целях улучшения режима деформирования с устранением неоднородности структуры по длине пресс-изделия, посредством:
4.1) прямого прессования в квазиизотермическом режиме при минимизации температурного градиента между поверхностью заготовки и инструментом и существенном улучшении характера деформирования за счет соответствующего регулирования скорости [2, 4];
4.2) прямого прессования со стабилизацией выходной температуры, скорости истечения и механических свойств по длине полуфабриката за счет градиентно-нагретой заготовки [2, 4, 8];
4.3) периферийно-поточного варианта прямого прессования заготовки с дозированно перегретой периферийной зоной без смазки для выравнивания поперечного фронта скоростей
* Изобретено в нашей стране в 1977 г. Я.М. Охрименко и В.Л. Бережным (А. с. 550194 СССР, М Кл2 В21С 25/02. Бюл. № 10, 19.04.1977.
** Физическое явление «Объемный реологический и деформационный эффект активного трения», положенное в основу нового способа прессования [6], открыто в нашей стране Я.М. Охрименко и В.Л. Бережным в 1965 г.
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
свободного течения и деформаций на выходе из ОЧПЗ* (рассмотрено в работах [4, 6]).
Направление 5. Кинетическая интенсификация микропластической деформации со значительным повышением показателей технологичности (прессуемости) труднодефор-мируемых сплавов при осуществлении прессования с прямым истечением тонкостенных профилей и труб:
5.1) с направленной передачей в заготовку вибро- и ультразвуковых колебаний [26, 27];
5.2) с противодавлением со стороны выхода деформированного полуфабриката [4,7, 28];
5.3) в экструзионных условиях сверхпластичности деформируемого материала [2, 6, 15-17];
5.4) в экструзионных условиях гидростатической или гидродинамической обработки с истечением материала заготовки [2-5].
Некоторые подходы к дальнейшему развитию технологических возможностей
горячего прессования со смазкой
Технология горячего прямого прессования сплавов из групп 2-4 смогла появиться и используется теперь благодаря применению технологических смазок - стеклянных, гра-фитомасляных, комбинированных, многослойных, пластичных металлических и др., которые в той или иной мере решают задачи минимизации трения, температурного экранирования пресс-инструмента и требуемой несущей способности.
Оптимизация применения известных технологических смазок и разработка новых -наукоемкая специфическая работа в постоянном развитии [1-5, 7, 28, 29]. В данной статье проблемы технологических смазок не рассматриваются, но в отношении условий их работы и корректности режимов горячего прессования автор хотел бы высказать сомнение в правильности рекомендования в не-
* Способ предложен в 1959 г. немецким ученым К. Лауэ (см. в книге [4]); положительный результат при его опробовании в 1976 г. в ВИЛСе не достигнут из-за поверхностного перегрева заготовки до оплавления, т. е. для желаемого получения «квазисмазки».
которых современных изданиях температур прессования для многих тугоплавких сплавов из групп 2-4. С технологических позиций они значительно завышены, что, например, обнаруживается при простом сравнении соответствующих публикаций глубиной 40 лет. С подобными сбоями в рекомендациях для построения технологии, по-видимому, от ме-таллофизиков автор встречался при разработке оптимальных условий горячего прямого прессования профилей из технологически сложного А!^1-сплава 1420.
Вместе с тем, очевидно, что разделительный слой среды в весьма выверенных технологиях горячего гидростатического и гидродинамического прессования [2, 3, 5]работает более надежно, а сами эти процессы могут заменить по-разному реализуемый традиционный способ горячего прямого прессования с технологической смазкой в определенной ответственной части сортамента и номенклатуры пресс-изделий из сплавов в группах 2-4.
Применительно к задаче дальнейшего развития технологических возможностей горячего прессования со смазкой в данной работе проведен предварительный анализ рассмотренных выше технических решений, показавший следующее:
- научные подходы по пп. 1.1, 1.2 и 1.3 применительно к замещению традиционных марок труднодеформируемых сплавов из групп 2-4 новыми, более технологичными, даже сверхпластическими (для их создания и подготовки к введению в промышленность требуется сумма дополнительных усилий), могут быть отнесены к числу перспективных применительно к данной базовой технологии прямого прессования;
- для пластифицирования слитков многих труднодеформируемых сплавов из групп 2-4 могут быть вовлечены в НИОКР технические решения по пп. 2.1, 2.3 с приближением к промышленным условиям;
- оптимизация температурных условий прессования с технологическими смазками по факторам «минимум давления прессования» и «изотермические условия» может быть достигнута при использовании технического решения по п. 4.3;
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
- интенсификация микропластической деформации со значительным снижением давления течения и улучшением прессуемости технологически проблемных сплавов из групп 2-4 может быть достигнута при использовании технических решений по пп. 5.2-5.4, а подход по п. 5.1 требует детального экспериментального исследования с учетом сложных температурных и контактных условий прессования.
Общие примечания
- К числу экспериментально опробованных и частично примененных в промышленности технических решений относятся следующие, обозначенные пп. 1.3, 3.2-3.5, 4.1, 4.2, 5.2-5.4.
- Остальные технические решения и подходы рассмотрены в данной статье по опубликованным результатам разных экспериментальных моделирований, за исключением обозначенных в пп. 2.1-2.3, которые автором разработаны в формате технических заданий на проектирование устройств с использованием активных напряжений трения для ликвидации значимой технологической неравномерности, свойственной прототипам -РКУП, бесконтейнерному прессованию слитков через стационарную конусную матрицу и прямому прессованию через угловую матрицу.
- Технические решения, не относящиеся к способам прессования с эффектом активного действия напряжений трения и сдвига в контейнере, сопровождаются в публикациях авторов данными об использованных металлах и сплавах вместе с условиями их прессования. Что же касается способов горячего активно-обратного прессования без технологических смазок, то на разных этапах их авторского исследования с 1965 г. в сравнении со способами прямого и обратного прессования были использованы следующие представители труднодеформируемых и малопластичных сплавов и материалов: алюминиевые сплавы В96Ц, Д16 и АМг6, латунь ЛС59-1 и опытная бронза 0СФ-3-0,1 (хрупкая) [6, 30], а также никельхромотитанистый сплав ХН77ТЮР (ЭИ437Б) (в период 1966-1967 гг.) и позднее в качестве дополнения алюминие-
вые сплавы Д1, Д19, АК4-1, АК6, В95, 1420 и гранулированные материалы 01419У (жаропрочный А!-0г-2г) и 01969 (высокопрочный А!-гп-Мд-Ои) и новые А!-8 % Fe, А!-8 % Fe + + 4 % Се [11, 24], а также сверхпластичный эвтектоидный сплав А!-78 % 2п (исследовал В.Н. Щерба [6]). Моделирующие исследования Т1-сплавов по договору о творческом сотрудничестве между МИСиСом, РИСХМом и ВИЛСом не были реализованы в связи с напряженным планом тематических работ в 1968-69 гг. в подразделении ВИЛСа.
- Фактически каждое из указанных известных технических решений требует аналитического обобщения с разработкой технического задания, проведения расчетно-проект-ной работы и, в некоторых случаях, НИОКР с ориентировкой на конкретную задачу дополнения и/или замещения действующих технологий прямого прессования для определенной части сортамента и номенклатуры пресс-изделий.
Заключение
В нашей стране одной из уникальных особенностей развития технологий прессования до конца 1980-х гг. было вовлечение в прессовое производство до 50-60 % высоколегированных А!-сплавов (остальное - малолегированные) при соответственно 12-15 % за рубежом, что определяет главного адресата этой статьи со следующими заключительными данными:
1. В этой работе установлено, что при всей широкой востребованности продукции прессового производства, оно имеет действительно большие рыночные достижения по масштабу применения только в базовой технологии прямого прессования без смазочных материалов в составе поточного производства конструкционных пресс-изделий из легкодеформируемых алюминиевых сплавов и, в меньшей степени, в другой базовой технологии - горячего прямого прессования тех марок стали, медных и титановых сплавов, физической природе которых соответствуют температурные условия процесса и структура технологических смазок, оптимизированных по факторам «хорошая прес-
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
суемость» и «минимум температуры деформирования».
2. Проблематика в этой базовой технологии определяется повышенной неравномерностью напряженно-деформированного состояния под влиянием предельного трения в контейнере и ограниченной прессуемостью труднодеформируемой части А1- и Мд-спла-вов, а также некоторых Си- и И-сплавов в этих условиях.
Проблематика в другой базовой технологии (с технологическими смазками) определяется использованием чрезмерно высоких температур при недостаточной пластичности стандартных высокопрочных сплавов из групп 2-4.
В результате в обеих технологиях при переходе от сплава к сплаву с увеличением сопротивления деформированию приходится кардинально упрощать геометрию прессованного полуфабриката и увеличивать толщину стенок, оставляя зачастую весьма большие припуски на механическую обработку. При этом в первом случае активизируется дефек-тообразование и опасно для конкурентоспособности уменьшаются показатели производительности и выхода годного, а во втором случае увеличиваются расход инструмента и трудоемкость, удорожается производство пресс-изделий.
3. В работе обоснована целесообразность проведения проектных разработок и некоторых дополнительных НИОКР, направленных на решение двух насущных задач:
а) создание целевых модификаций базового способа горячего прессования с непосредственным контактированием пары «заготовка-контейнер» или других способов прессования, его частично замещающих, для изготовления пресс-изделий из высоколегированных А1- и Мд-сплавов, а также, возможно, некоторых Си- и И-сплавов;
б) вовлечение в технологию другого базового способа горячего прессования (с использованием специальных технологических смазок) методов значительного повышения деформируемости заготовки с уменьшением перепада температур в паре «заготовка-инструмент» для стабильного изготовления пресс-изделий с существенно усложненной
конфигурацией, прежде всего, из прочных, жаропрочных и тугоплавких сплавов.
4. Как показано аналитическими оценками базы данных применительно к первой базовой технологии горячего прямого прессования без технологической смазки:
а) значительное повышение технологической пластичности, способствующее расширению номенклатуры и сортамента качественных пресс-изделий, может быть достигнуто за счет использования технических решений по пп. 1.1-1.3, 2.1-2.4, 3.5 и 5.3, 5.4. При этом отметим, что наибольшими технологическими возможностями (в порядке их некоторого убывания) обладают технические решения по неполному замещению прямого способа прессования активно-обратным (п. 3.5), по освоению сверхпластичных сплавов и способов прессования, обеспечивающих эффект сверхпластичности и повышенной пластичности (пп. 1.3 и 5.3), а также по освоению РКУП с активным макросдвигом для изготовления специальных пластичных пром-заготовок с равномерной зеренной структурой (п. 2.1).
Вместе с тем применительно к частным проблемам совершенствования производства с этим базовым способом прессования следует опробовать и другие технические решения с учетом технологических возможностей и трудностей их освоения в виде его модификаций;
б) значительное уменьшение неравномерности деформирования материала в контейнере с улучшением прессуемости и устранением дефектов может быть достигнуто за счет использования технических решений по пп. 3.1-3.5, 4.1-4.3 и 5.1-5.4. При этом также отметим, что наибольшими технологическими возможностями (в порядке их некоторого убывания) обладают технические решения по неполному замещению прямого способа прессования активно-обратным способом с разной интенсивностью режима (п. 3.4 и 3.5), освоению модификаций прямого прессования с эффектом обеспечения сверхпластичности (п. 5.3), изотермического (п. 4.1), периферийно-поточного (п. 4.3) и изофрикционного (п. 4.2) режимов прямого прессования (п. 4.3). Аналогично рекоменда-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
циям по техническому решению в п. 2.1, здесь также отметим целесообразность рассмотрения модификаций с использованием других, частных технических решений, тем более, что многие из них ранее позитивно опробованы в опытно-промышленных условиях.
5. Применительно к другой базовой технологии горячего прямого прессования (с технологической смазкой) приоритетные экономические ориентировки в отношении указанных технических решений легко выстраиваются с учетом вышеизложенного.
6. Кажется также возможным на основе материалов данной статьи рекомендовать организационный подход к совершенствованию двух базовых технологий прямого прессования в формате дополнения производства
разнообразными их модификациями, осваиваемыми на предприятиях соответственно замыслам собственного развития с опорой на имеющееся технологическое оборудование разных типоразмеров.
7. Таким же уместным здесь кажется известное предложение автора совместить активно-обратное прессование с улучшенной версией прямого прессования без технологической смазки на одном гидропрессе в составе автоматизированной поточной линии, что раскрывает возможность создания экономически выгодного производства качественных пресс-изделий из средне- и трудно-деформируемых А!- и Мд-сплавов с широкой номенклатурой [31].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жолобов В.В., Зверев Г.И. Прессование металлов. Изд. 2-е. - М.: Металлургия, 1971. - 456 с.
2. Прессование. Справочное руководство / М. Бау-зер, Г. Зауер, К. Зигерт / Пер. с нем. под. ред. В.Л. Бережного. - М.: Алюсил МВ и Т, 2009. - 918 с.
3. Технология и оборудование для обработки тугоплавких, порошковых и композиционных материалов / Коликов А.П., Крупин А.В., Полухин П.И., Потапов И.Н., Бондарев М.А., Изотов В.М. / Уч. пос. для вузов. - М.: Металлургия, 1989. - 384 с.
4. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. Изд. 2-е. - М.: Металлургия, 1975. -448 с.
5. КолпашниковА.И., Вялов В.А., Федоров А.А., Петров А.П. Горячее гидропрессование металлических материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 271 с.
6. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. -М.: Металлургия, 1988. - 296 с.
7. Корнеев Н.И., Певзнер С.Б., Разуваев Е.И., Скугарев И.Г. Обработка давлением тугоплавких металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1967. -268 с.
8. Бережной В.Л. Технология и оборудование автоматизированного производства прессованных профилей: Обзор. Вып. I. - М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1990. - 80 с.
9. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. Ч. I-III. - М.: Металлургиздат, 1960.
10. Охрименко Я.М., Тюрин В.А. Неравномерность деформации при ковке. - М.: Машиностроение, 1969. - 184 с.
11. Бережной В.Л. Технологически многоцелевое прессование с позитивно-активным трением // Металлы. 2001. № 1. С. 41-47.
12. Metal Handbook, 9th Edition. V. 2. Properties and Selection - Nonferrous Alloys and Pure Metals, ASM, USA. P. 855.
13. Международный транслятор современных сталей и сплавов. Том III / Под ред. В.С. Кершенбаума. -М.: Международная Инженерная Академия. Фирма ИНТАК.
14. Филатов Ю.А. Al-Mg-Sc-сплавы для свариваемых конструкций // Технология легких сплавов. 2004. № 6. С. 13-19.
15. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. - М.: Металлургия, 1981. - 168 с.
16. Пресняков А.А., Аубакирова Р.К. Сверхпластичность металлических материалов. Алма-Ата: Наука, Казахская ССР. 1982. - 232 с.
17. Superplasticity // Steel. 1965. V. 156. № 24. P. 66, 68, 71.
18. Сегал В.М., Резников В.И., ДробышевскийА.Е., Копылов В. И. Пластическая обработка металлов простым сдвигом // Металлы. 1981. № 1. С. 115-123.
19. Бережной В.Л. Технологический анализ равно-канального углового прессования заготовок // Технология легких сплавов. 2007. № 1. С. 109-117.
20. Бережной В.Л. К разработке бесконтейнерного прессования для деформационного передела слитков-столбов // Технология легких сплавов. 2011. № 1. С. 73-80.
21. Бережной В.Л., Казимов И.В. Подходы к решению проблем неравномерности деформирования и многооперационности при РКУП // Технология легких сплавов. 2009. № 2. С. 91-100.
22. Бережной В.Л. Технологический анализ способов прессования через матрицу с поперечными
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
напряжениями трения, кручения и сдвига // Технология легких сплавов. 2007. № 3. С. 84-90.
23. Охрименко Я.М., Журавлёв В.Н. Профилирование заготовок выдавливанием через приводные вращающиеся валки // Кузнечно-штампо-вочное производство. 1971. № 1. С. 10-13.
24. Berezhnoy V.L. Friction-Assisted Extrusion: Physical Models and Main Processes // Aluminium. 2008. № 1 (October). P. 80-87.
25. Бережной В.Л. Технологические принципы максимизации прочности пресс-изделий из Al-Mg-Si-сплавов для условий поточного производства / В кн.: Металловедение и технология легких сплавов. - М.: ВИЛС, 2001. С. 280-293.
26. Залесский В.И., Мендыбаев О.С. Прессование прямым истечением с вибрацией // Известия вузов. Черная металлургия. 1967. № 11. С.98-103.
27. Петухов В.И., Абрамов О.В., Зубко А.М., Ма-негин Ю.В. Прессование алюминия в ультразвуковом поле // Кузнечно-штамповочное производство. 1972. № 3. С. 14-18.
28. Прозоров Л.В. Прессование стали и тугоплавких сплавов. - М.: Машиностроение, 1969. -242 с.
29. Ерманок М.З., Соболев Ю.П., Гельман А.А.
Прессование титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1979. - 264 с.
30. Бережной В.Л. Лабораторные исследования прессования медных сплавов с активным трением // Цветные металлы. 1977. № 2. С. 53-55.
31. Бережной В.Л. Технологические принципы построения многоцелевой поточной линии для производства конструкционных пресс-изделий // Технология легких сплавов. 2008. № 4. С. 53-64.
