CC BY
34
МАТЕРИАЛЫДОКЛАДОВ УЧАСТНИКОВ КОНФЕРЕНЦИИ
mathematical model of equal channel angular extrusion. Mashiny, Tekhnologii, Materialy [Machines, Technologies, Materials]. 2013, pp. 122-124.
3. Rudskoi A.I., Zolotov A.M., Ganin S.V. Simulation of equal channel angular extrusion of workpieces from aluminum-based pulverulent compositions and capsular rare-earth metals. Tsvetnye metally [Nonferrous metals]. No. 1, Spets.vypusk [Special edition].
4. Konstantinov D.V., Korchunov A.G. Multi-scale computer simulation of metal forming processes. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstven-nogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 1, pp. 36-43.
5. Semashko M.Yu., Truskovskii V.I., Sherkunov V.G. Sposob plasticheskogo strukturoobrazovaniya i ustroistvo dlya ego osushchestvleniya [Plastic structuring and a plastic-structuring facility]. Patent RF, no. 2424076.
6. Semashko M.Yu., Sherkunov V.G., Chigintsev P.A. Deform-based microstructure simulation of metallic samples exposed to severe plastic. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstven-nogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2013, no. 1, pp. 57-61.
Чигинцев П.А., Семашко М.Ю., Шеркунов В.Г. Исследование влияния технологических параметров на совмещенный процесс высадки, прошивки и обратного выдавливания // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 12-16.
Chigintsev P.A., Semashko M.Yu., Sherkunov V.G. Influence of technological parameters on the combined process of direct and inverse extrusion. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 4, pp. 12-16.
УДК 621.73.043
РАЗРАБОТКА СПОСОБА КУЗНЕЧНОЙ ПРОТЯЖКИ БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ*
Богатов А.А., Нухов Д.Ш.
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия
Аннотация. В работе рассмотрена идея обеспечения знакопеременной деформации при протяжке литых слитков без изменения исходных формы и размеров. Способ осуществляется применением кузнечных штампов [1], имеющих два участка рабочей поверхности - гладкий и профильный. Была определена рациональная гравюра профильной части штампа и режимы обжатий, которые обеспечивают высокую однородность деформации во всем объеме заготовки после протяжки.
Ключевые слова: литая структура; знакопеременная деформация; дисперсность структуры; математическое моделирование; напряженное и деформированное состояние; показатели напряженного состояния; степень деформации; кузнечная протяжка слитка; штамп; обжатие заготовки.
Введение
В настоящее время одной из актуальных проблем обработки металлов давлением является, с одной стороны, получение высококачественной литой заготовки, а с другой - поиск новых технологических схем ковки и прокатки, обеспечивающих проработку литой структуры и высокий уровень механических свойств и экс-
* Статья по материалам доклада на международной молодежной научно-технической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства», состоявшейся 15-17 июня 2015 г. в ФГБОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск) при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ №15-38-10185).
© Богатов А.А., Нухов Д.Ш., 2015
плуатационных характеристик металлургической продукции. Известно, что знакопеременная деформация способствует проработке литой и формированию мелкозернистой структуры [211]. Авторами работы исследован новый способ протяжки, при котором осуществляется знакопеременная деформация с равномерной проработкой литой структуры по сечению заготовки.
Выбор рациональных размеров инструмента деформации в условиях гладкой деформации
Применение инструмента с рабочей поверхностью в виде углублений и выступов с формой цилиндрических сегментов позволяет получить обжатую на первом этапе заготовку с волнистой поверхностью. На следующем этапе обжатия
16
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4
Разработка способа кузнечной протяжки без изменения формы ...
Богатов А.А., НуховД.Ш.
плоскими штампами выравнивают поверхность поковки и осуществляют знакопеременную деформацию, сохраняя первоначальную форму и размеры заготовки (рис. 1).
В работе поставлена задача определить рациональную гравюру профильного участка штампа, которая при минимальном обжатии заготовки обеспечивает полное заполнение полости углублений штампа, а также равномерное распределение деформации во всем объеме поковки после обжатия поковки на гладкой части штампа. Для определения рациональной гравюры штампа введены следующие соотношения размеров очага деформации: e/r; r/h; Ah/h, где r -радиусы цилиндрических сегментов углублений и выступов; е - расстояния между линиями центров цилиндрических поверхностей выступов и углублений; h - высота заготовки; Ah - абсолютное обжатие по высоте заготовки в области выступов (рис. 2, сечение II-II).
Результаты решения задач КЭ-
моделирования процесса протяжки поковок в штампах с различными параметрами очага деформации (r/h) и величинами относительного обжатия заготовки (Ah/h) показали, что при малых соотношениях e/r<1 не удается добиться полного заполнения металла в углубления бойка
Ah
[12, 13], даже при обжатии---100% = 20%. В
h
результате было показано, что значение параметра e/r необходимо выбирать в диапазоне 1,51,75, так как в этом случае металл полностью заполняет углубления бойка, обеспечивая полную проработку литой структуры во всем объеме заготовки. При обжатии в штампах с e/r < 1,5 металл не заполняет углубления бойка, при последующей деформации заготовки на гладком участке бойка не удается обеспечить равномерную знакопеременную деформационную проработку во всем объеме слитка без изменения формы и размеров исходной заготовки. При обжатии заготовки штампами с e/r > 1,75 не обеспечивается проникновение деформации в осевую зону слитка по сравнение с поверхностными слоями.
В работе выполнено исследование зависимости формоизменения и деформированного
состояния металла в очаге деформации от величины подачи. В результате разработана методика выбора рационального значения подачи заготовки. Величина подачи была задана зна-
b 2 Ь 6Ь 10b 14b ,
чениями I: —: —; —;----■ ---. где Я - высота
h h h h ' h
заготовки, b - ширина выступа (углубления) штампа. Она определяется из выражения
ь = Ur ■ Д/!ф — Дйф2, где Д/гФ = 2Д - величина
обжатия по высоте h. (рис. 3). Высота заготовки
принята равной h. =300 мм, обжатие по высоте Ah/h = 0,1. Принимая значения r =100 мм, ширина выступов и углублений будет определена выражением
b= J4r ■ Д/1ф - &Нф 2=/4г ■ ОД h - (0 Дh)z.
Заполнение металлом элементов штампа количественно оценивали через коэффициент ЗаПОЛНе-
Ь^е ,
ния 5 =----100%, где Лие - высота элемента по-
А
ковки, заполнившего углубление штампа;
А — г — 0,5е - высота углубления штампа (см. рис. 3). Неравномерность деформации по высоте слитка оценивалось с помощью коэффициента вариации 5/1%. где % - среднее значение накопленной степени деформации по высоте, которое определялось для двух сечений (I - под углублением и II - под выступом штампа) по шести точкам
из выражения % = 1 / - номер части-
цы’ а [~2r-iOui
1/2
средне-
квадратичное отклонение. Исследования проводили в программном комплексе DEFORM-3D. В ходе решения задачи были приняты следующие допущения: задача решается в изотермических условиях, модель материала заготовки - вязкопластическая среда (Сталь AISI-1045, аналогичная стали Ст45), материал штампов - недеформируемая жесткая среда. Показатель трения (по Зибелю) на контактной поверхности принят равным у = 0,6. Для обеспечения высокой точности результатов расчета минимальный размер элемента был принят равным 3 мм при высоте поковки 300 мм. Твердотельная модель протяжки представлена на рис. 4
www.vestnik.magtu.ru
17
МАТЕРИАЛЫДОКЛАДОВ УЧАСТНИКОВ КОНФЕРЕНЦИИ
Рис. 1. Направление скорости движение частиц металла при обжатии на профильном (а)
и гладком участках штампов (б)
Рис. 2. Деформирование заготовки штампами в два этапа - на профильном (а) и гладком (б) участках
Рис. 3. Очаг деформации при обжатии поковки на профильном участке штампа
Рис. 4. Обжатие заготовки в штампах: 1 - бойки; 2 и 3 - профильные и гладкие участки рабочей поверхности инструмента; 4 - заготовка
18
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4
Разработка способа кузнечной протяжки без изменения формы ...
Богатов А.А., НуховД.Ш.
Результаты расчетов, характеризующих влияние подачи (!) на формоизменение заготовки в очаге деформации, показали, что удовлетворительное заполнение металлом углуб-
10b
лений штампа удается добиться при I = --и
h
l = ---. Коэффициент заполнения углублений
h
в обоих случаях соответственно равен 5 = 85% и
5 =95%. На рис. 5 представлены расчеты степени
деформации и характер распределения Eui по высоте заготовки для двух сечений: I - под углублениями (рис. 5, а, б) и II - под выступами (рис. 5, в, г). На рис. 6 представлены значения коэффициента
вариации .V £ v.u. характеризующего неравномерность распределения суммарной степени деформации по высоте после двух этапов обжатия.
Рис. 5. Распределение степени деформации Еш после первого (а) и второго этапов (б) деформации в сечении I-I и после первого (в) и второго этапов (г) деформации в сечении II-II
Рис. 6. Коэффициенты вариации S/£^u в зависимости от величины подачи после протяжки слитка в два этапа в сечениях 1-1 (а) и 11-11 (б)
www.vestnik.magtu.ru
19
МАТЕРИАЛЫДОКЛАДОВ УЧАСТНИКОВ КОНФЕРЕНЦИИ
По графикам на рис. 5 можно отметить, что удовлетворительное проникновение деформации в осевую зону заготовки обеспечивается при об-
J 10 ь
0,1 и величине подачи I = ---и
h
жатии Ah/h 14 Ь
I =-----. Расчет S £v.u показал, что лучшие зна-
h
чения показателя однородности деформации по
14Ь
высоте заготовки достигают при подаче = ----:
h
для сечения I-I S/S-^-ur 0,24; а для сечения П-П
S/ZZu= 0,16.
Выводы
В результате анализа формоизменения и деформированного состояния металла в предложенном способе ковки даны рекомендации по форме и размерам инструмента деформации из условия полного заполнения металла углублений штампа, а также обеспечения однородности деформации по всему объему литой заготовки. Установлено, что для достижения однородной деформационной проработки в очаге деформации рациональными являются относительное обжатие Ah/h = 0,1, а величина , 14 Ь
подачи I =----. При кузнечной протяжке по
h
новому способу обеспечивается знакопеременная деформация с равномерной проработкой литой структуры во всем объеме поковки при незначительном изменении размеров исходной заготовки.
Список литературы
1. Заявка 2014135430 Российская Федерация, МПК B21J 13/02. Кузнечный инструмент / Богатов А.А., Нухов Д.Ш. № 2014135430; заявл. 29.08.2014.
2. Пластическая обработка металлов простым сдвигом / Сегал В.М., Резников В.И., Дробышевский А.Е., Копылов В.И. // Известия АН СССР. Металлы. 1981. №1. С. 115-123.
3. Процессы пластического структурообразования / Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др. Минск: Наука и техника, 1994. 232 с.
4. Park C.Y., Yang D.Y. A study of void crushing in large forgings II. Estimation of bonding efficiency by finite-element analysis // Journal of Materials Processing Technology. 1997. Vol. 72. P. 32-41.
5. Комбинированные бойки: a.c. 774756 СССР, МКИ В 21 J 13/22 / А.В. Котелкин, В.А Петров (СССР). № 2715513; заявл. 23.01.79; опубл. 30.10.80, Бюл. № 40.
6. Кузнечный инструмент: а.с. 442878 СССР, МКИ В 21 J 13/02 / Я.М. Охрименко, В.А. Тюрин, С.Д. Баранов (СССР). № 1623639; заявл. 01.07.71; опубл. 15.09.74, Бюл. № 34.
7. Тюрин В.А. Инновационные технологии ковки // Кузнечноштамповочное производство. 2006. №5. С. 27-29.
8. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металла: учеб. пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 328 с.
9. Панов Е.И., Эскин Г.И. Влияние поперечно-винтовой прокатки на структуру и свойства заэвтектических силуминов // Металловедение и термическая обработка металлов. МиТОМ. 2004. №9. С. 7-13.
10. Овчинников Д.В., Богатов А.А., Ерпалов М.В. Разработка и внедрение технологии производства высококачественных насосно-компрессорных труб из непрерывно-литой заготовки // Черные металлы. 2012, март. С. 18-21.
11. Валиев Р.З. Создание наноструктурных металлов и сплавов с уникальными свойствами, используя интенсивные пластические деформации // Российские нанотехнологии. 2006. Т. 1-2. С. 208.
12. Богатов А.А., Нухов Д.Ш. Разработка рациональных режимов нового процесса кузнечной протяжки полос с применением компьютерного моделирования // Производство проката. 2015. №3. С. 3-8.
13. Богатов А.А., Нухов Д.Ш. Научные основы повышения эффективности процесса ковки при знакопеременной деформации // Заготовительное производство в машиностроении. 2015. №3. С. 12-17.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
DEVELOPMENT OF A METHOD OF BLACKSMITH STRETCHING WITHOUT CHANGING THE SHAPE AND DIMENSIONS OF THE BILLET
Bogatov Alexander Alexandrovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin, Ekaterinburg, Russia. Phone: +7(343)375-4437. E-mail: [email protected].
Nukhov Danis Shamilyevich - Research Assistant, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin, Ekaterinburg, Russia. Phone: +7(950)198-9646. E-mail: [email protected].
Abstract. The article deals with alternating deformation during cast-ingots stretching without changing original shape and sizes. The method involves usage of forging dies [1] with two faces which are smooth and profiled. The authors have determined rational engraving of the profiled die face and reduction conditions which provide high uniform deformation throughout the workpiece volume following the stretching.
Keywords: Cast structure; alternating deformation; degree of dispersion; math modeling; stress-strain states;
stressed state parameters; the degree of shear strain; ingot stretching; stamp; reduction of a workpiece.
References
1. Bogatov A.A., Nukhov D.Sh. Kuznechnyj instrument [Blacksmith tool]. Application no. 2014135430 RF.
2. Segal V.M., Reznikov V. I., Drobyshevski A. E., Kopylov V. I. Direct-shear plastic metal working. Izvestija AN SSSR. Metally [Izvestia of the USSR Academy of Sciences. Metally].1981, no. 1, pp. 115-123.
20
Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. №4
Разработка способа кузнечной протяжки без изменения формы ...
Богатов А.А., НуховД.Ш.
3. Segal V.M., Reznikov V.I., Kopylov V.I. and others. Processy plasticheskogo strukturoobrazovanija [Plastic structuring processes]. Minsk: Nauka i tekhnika, 1994, 232 p.
4. Park C.Y., Yang D.Y. A study of void crushing in large forgings II. Estimation of bonding efficiency by finite-element analysis. Zhurnal Tekhnologii Obrabotki materialov [Journal of Materials Processing Technology]. 1997, no. 72, pp. 32-41.
5. Kotelkin A.V., Petrov V.A. Kombinirovannyj bojki [Combined]. A.S. 774756 USSR.
6. Okhrimenko Ja.M., Tyurin V.A., Baranov S.D. Kuznechnyj instrument [Blacksmith tool]. A.S. 442878 USSR.
7. Tyurin V.A. Innovative blacksmith technologies. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo [Die forging]. 2006, no .5. pp. 27-29.
8. Bogatov A.A. Mehanicheskie svojstva i modeli razrushenija metalla. Uchebnoe posobie [Mechanical properties and models of metal failure. Academic aid]. Ekaterinburg: UgTU-UPI, 2002, 328 p.
9. Panov E.I., Jeskin G.I. Influence of tranverse screw rolling on the
structure and properties of hypereutectic aluminium-silicon alloys. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov [Metal Science and thermal metal processing]. 2004, no. 9, pp. 7-13.
10. Ovchinnikov D.V., Bogatov A.A., Erpalov M.V. Development and implementation of production technology of tubings from cast sections. Chernye metally [Ferrous Metals]. 2012, march, pp.18-21.
11. Valiev R.Z. Manufacturing of unique nanostructured metals and alloys through severe plastic deformations. Rossijskie nano-tehnologii [Russian nanotechnologies]. 2006, vol. 1 -2, 208 p.
12. Bogatov A.A., Nukhov D.Sh. Rational computer-simulated conditions of a new blacksmith strip stretching process. Proizvodstvo prokata [Rolling production]. 2015, no. 3, pp. 3-8.
13. Bogatov A.A., Nukhov D.Sh. Scientific bases for improving efficiency of forging process under alternating deformation. Zagotovitel'noe proizvodstvo v mashinostroenii [Production of blanks in mechanical engineering]. 2015, no. 3, pp. 12-17.
Богатов A.A., Нухов Д.Ш. Разработка способа кузнечной протяжки без изменения формы и размеров исходной заготовки // ВестникМагнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2015. №4. С. 16-21.
Bogatov A.A., Nukhov D.Sh. Development of a method of blacksmith stretching without changing the shape and dimensions of the billet. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2015, no. 4, pp. 16-21.
УДК 65.011.56: 621.771: 621.778: 669.21/23.018
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КАТОДНЫХ СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ*
Довженко Н.Н.1, Сидельников С.Б.1, Архипов Г.В.2, Константинов И.Л.1,
Довженко И.Н.1, ЛопатинаЕ.С.1, Ворошилов Д.С.1, Феськов Е.В.1
1 Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия
2 РУСАЛ ИТЦ, Красноярск, Россия
Аннотация. В статье приведены результаты исследований по разработке технологий получения заготовок для катодного стержня электролизера из стали марки Ст3, плакированного с одной стороны медью марки М1. Показано, что для их получения необходимо комплексное применение методов обработки металлов давлением и диффузионной сварки в различном их сочетании. Представлены результаты моделирования процесса горячей прокатки сталемедной заготовки и определены параметры деформационного режима ее обжатия.
Ключевые слова: сталь, медь, технологические процессы, моделирование, диффузионная сварка, прокатка, структура.
Введение
В рамках реализации федеральной целевой программы «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 20142020 годы» выполнены исследования по теме «Разработка технологии получения алюминия со снижением расхода электроэнергии на действу-
* Статья по материалам доклада на международной молодежной научно-технической конференции «Инновационные процессы обработки металлов давлением: фундаментальные вопросы связи науки и производства», состоявшейся 15-17 июня 2015 г. в ФГБОУ ВПО «МГТУ» (г. Магнитогорск) при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект РФФИ №15-38-10185).
© Довженко Н.Н., Сидельников С.Б., Архипов Г.В., Константинов И.Л., Довженко И.Н., Лопатина Е.С., Ворошилов Д.С., Феськов Е.В., 2015
ющих электролизерах на 300-1000 кВт ч/т алюминия» по соглашению № 14.579.21.0032 о предоставлении субсидии.
Целью проведенных работ явилось опробование технологии получения биметалла сталь-медь в лаборатории кафедры обработки металлов давлением института цветных металлов и материаловедения СФУ.
При этом решались следующие задачи:
- выбрать последовательность технологических операций для получения сталемедных композиций с использованием операций обработки давлением и диффузионной сварки;
- выполнить моделирование процесса прокатки и установить параметры деформационного режима обжатия заготовки;
- провести опробование режимов создания ста-
www.vestnik.magtu.ru
21
