CC BY
2
Frolova Ekaterina Olegovna, assistant, katerinafrolova1996@mail.ru. Russia, Saint-Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after D.F. Ustinov
УДК 620.186
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-461-462
СОЕДИНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ГИБРИДНЫХ ЗАГОТОВОК КОМБИНИРОВАННЫМ НАГРУЖЕНИЕМ
ВРАЩАЮЩИМСЯ ИНСТРУМЕНТОМ
А.А. Гневашев, П.А. Петров, И.А. Бурлаков
В работе решается задача соединения компонентов металлических материалов по всей поверхности контакта при создании гибридных заготовок деталей для автомобильной и авиационной промышленности на основе изучения мирового опыта. Технология получения гибридной заготовки состоит в совместном деформировании компонентов из материалов, собранных в составную заготовку, в результате чего происходит их схватывание под действием давления, температуры, а также возрастающей деформации в области фрикционного воздействия вращающегося инструмента. Даны примеры изготовления гибридных заготовок. В качестве альтернативы силуминам предлагается использовать сплавы системы Al-3Ca-Mn-Zn-Fe-Si.
Ключевые слова: гибридные заготовки, интенсивная пластическая деформация, формообразование, деформация сдвигом, осадка с кручением, эвтектический алюминиевый сплав.
Разработка новых надежных и экономичных конструкций в машиностроении нуждается в применении материалов с высокими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами: высокой прочностью, тепло- и жаростойкостью, коррозионной устойчивостью, сопротивлением распространению трещин.
Используемые традиционные материалы имеют предел по своим свойствам. Они не могут обладать прочностью или пластичностью выше определенного предельного уровня, поэтому наблюдается движение в сторону создания гибридных материалов, состоящих из нескольких, часто совершенно разнородных, заготовок, которые дают сочетание нужных свойств во вновь созданном материале.
Гибридные заготовки обладают комплексом свойств, отличающихся от свойств отдельно взятого компонента, входящего в его состав. Они представляют собой комбинацию из двух или более разнородных материалов с заранее заданной геометрией, размером и расположением. При создании гибридного материала основной акцент делается обычно не на повышение его прочности, а на изменение функциональности. Данные материалы имеют либо несколько функциональных свойств, либо новые механические или другие свойства, полученные за счет взаимодействия различных компонентов. Таким образом в гибридном материале достигается сочетание качественно новых свойств.
В литературе существует большое количество определений «гибридных» материалов. В зарубежной литературе гибридные заготовки из листового материала преимущественно называют Tailor Welded Blanks (TWB) или Tailor Blanks [1-3]. В свою очередь, на страницах журнала «Hybrid Materials» дано такое определение: «Гибридные материалы состоят из двух или более компонентов, причем часто один из компонентов имеет неорганическую, а другой органическую природу» [4]. Другое определение гибридных материалов в статьях было дано Майком Эшби и Ивом Бреше: «Гибридные материалы сочетают в себе свойства двух (или более) монолитных материалов или одного материала. Кроме этого, должны быть учтены форма и геометрия отдельных компонентов, а также масштаб, на котором они соединены» [5, 6].
Таким образом, форма и конфигурация компонентов гибридной заготовки играют ключевую роль в определении свойств готовой детали с целью получения нового многофункционального гибридного материала с характеристиками, отличными от характеристик изначальных компонентов детали. Каждый тип гибридного материала позволяет получить оптимальные свойства для определенного применения. Например, жаростойкость в сочетании с повышенной коррозионной устойчивостью.
Количество работ, посвященных изучению влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) на изменение структуры и фазового состава многофазных алюминиевых сплавов и особенно эвтектики, относительно невелико, поэтому изучение влияния ИПД на структурно-фазовые превращения эвтектического с плава системы AlCa является актуальным.
Целью данной публикации является на основе обзора результатов исследований отечественных и зарубежных учёных, а также результатов собственных исследований определить рациональный метод соединения материалов для изготовления гибридных заготовок.
Задачи, решаемые в данной статье:
- изучить отечественный и зарубежный метод изготовления гибридных заготовок;
- изучить отечественный и зарубежный метод изготовления гибридных заготовок;
- выбрать материал для проведения экспериментального исследования, направленного на получение гибридной (составной) заготовки методом штамповки с кручением;
- исследовать свойства заготовки, полученной методом штамповки с кручением;
- определить возможные направления исследований формообразования гибридных заготовок.
Методика выполнения работы. На основе разработки технологии изготовления гибридных заготовок
путем проведения информационно-аналитического поиска по открытым литературным источникам и патентным базам определить уровень развития технологии изготовления гибридных заготовок, в частности, из алюминиевых сплавов. Для изучения структуры и свойств исследуемых материалов использован комплекс методов исследования: оптическая микроскопия, механические испытания на сжатие, измерение микротвердости. Микротвердость по Вик-керсу измеряли с помощью прибора Micromet.
Анализ получения гибридных заготовок. Необходимо иметь в виду, что материалы гибридных заготовок так же, как и традиционные сплавы не являются универсальными. Использование их по назначению в той или иной конструкции рационально только в том случае, когда это является технически обоснованным и экономически целесообразным. Следовательно, повышение эффективности работы с уменьшением стоимости. Материалы гибридных заготовок состоят из нескольких функционально отличных материалов. Основное их назначение - соединение разнородных материалов. Область применения материала - элементы конструкций деталей и узлов, работающие в условиях усталостного нагружения с повышенными требованиями к надежности, стойкость к механическому трению, применения при высоких температурах [7].
В общем случае существует два варианта получения гибридной заготовки:
1) компоненты заготовки изготавливаются различными методами и затем соединяются;
2) компоненты гибридной заготовки формируются непосредственно в процессе его изготовления.
Прочное соединение компонентов металлических материалов по всей поверхности контакта является
важнейшей задачей при их создании. Принято считать, что в основе соединения разнородных материалов в твердом состоянии лежит явление схватывания, т.е. образование металлической связи между атомами соединяемых поверхностей. При сближении разнородных металлов физический контакт сначала образуется на отдельных локальных участках, поскольку на поверхности металлов всегда есть микронеровности; при дальнейшей деформации число таких участков возрастает вплоть до образования сплошных зон схватывания [8]. К основным способам соединения разнородных металлических материалов относятся: совместная пластическая деформация, сварка взрывом, литье, наплавка, пайка, холодная сварка, диффузионная сварка, сварка трением с перемешиванием, напыление покрытий и даже склеивание и механическое закрепление [9]. Совместная пластическая деформация является одним из наиболее распространенных и часто используемых методов соединения разнородных металлических материалов с использованием промышленного оборудования [10.11].
В ряде случаев гибридные заготовки получают путем применения двух совершенно различных процессов - штамповки и литья (тиксоштамовка) [12].
Методы интенсивной пластической деформации. Известен способ изготовления гибридных заготовок методом интенсивной деформации, основанный на соединении разнородных материалов осадкой вращающимся инструментом. Одной из современных прогрессивных несистематизированных для большого спектра материалов и малоизученных технологий пластического формоизменения, позволяющей изготавливать тонкостенные осесиммет-ричные поковки, является технология штамповки (осадки) с кручением [13].
Среди существующих методов ИПД наиболее применимое для процессов штамповки является комбинированное нагружение по схеме сжатие с одновременным кручением или тангенциальным сдвигом [14,15].
Существо процесса осадки с кручением заключается в том, что осадка производится между вращающимися друг относительно друга бойками. Ось вращения бойков совпадает с осью осаживаемой заготовки. За счет сил трения на контактной поверхности крутящий момент передается деформируемой заготовке и производит ее скручивание (рис.1). В зависимости от шероховатости поверхностей заготовки и инструмента скручивание чередуется с проскальзыванием. В результате приложения к заготовке наряду с осевой силой крутящего момента возникает слож-ноенапряженно-деформированное состояние.
Рис. 1. Схемы движений инструмента при штамповке осадкой с кручением [14]
Сварка трением с перемешиванием представляет собой процесс, происходящий в металлах в твердом агрегатном состоянии, при котором механически соединение происходит посредством погружения специального вращающегося инструмента, состоящего из двух частей, называемых плечом и пином, в поверхность стыка двух жестко закрепленных пластин на глубину, примерно равную его толщине,так чтобы плечо невступало в контакт с материалом [16]. Схематически данный процесс приведен на рис. 2.
Основой данной технологии является трение вращающегося инструмента цилиндрической формы между двух соединенных торцами (рис. 2) или внахлест пластинами металла. В результате трения скольжения осуществляется фрикционный нагрев и массоперенос металла, которые характерны для трения скольжения металлических материалов [17]. В этом случае температура и напряжения в поверхностных слоях металлов, примыкающих к инструменту, приводят к формированию деформированного слоя путем фрагментации исходной структуры и движения трехмерных структурных элементов (фрагментов) по схеме «сдвиг + поворот» [18]. Дополнительным фактором, обеспечивающим перемешивание материалов и образование прочного соединения двух пластин, является вращение инструмента.
Сварка трением с перемешиванием успешно применяется при соединении различных металлов и сплавов, но наибольшее распространение получила при сварке конструкций из алюминия и его сплавов [19].
Метод интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) заключается в следующем: образец помещают между бойками и подвергают осадке под давлением (несколько ГПа), после чего прилагают деформацию кручением с большим количеством оборотов [20].
Деформация осуществляется путём вращения бойка (верхний боек -пуансон вращается); в конечном итоге, под действием сил поверхностного трения в объёме заготовки происходит сдвиг (силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом) (рис. 3).
Рис. 2. Схема процесса сварки трением с перемешиванием [16]
Рис. 3. Схемы движений инструмента при интенсивной пластической деформации кручением: 1 - пуансон (верхний боёк); 2 - образец, 3 -нижний боёк
На основе вышеизложенного заключаем, что рассмотренные в статье процессы лучше применимы для получения гибридных заготовок (т.к. есть сдвиговая деформация, помимо линейной и она позволяется соединить слои материала более надежно). Технология получения гибридной заготовки состоит в совместном деформировании компонентов из разнородных материалов, собранных в составную заготовку, в результате чего происходит их схватывание под действием давления и температуры. Важную роль в формировании материалов с помощью методов интенсивной пластической деформации играет трение между поверхностями образца и инструмента. Трение на границе между материалом и инструментом имеет существенное влияние на напряженно-деформированное состояние на поверхности материала. За счет этого величина деформации в области фрикционного воздействия возрастает и формируется сильнодеформированный слой. Данное поведение материалов подтверждает, что максимальное развитие пластической деформации достигается за счет сдвига от вращающегося инструмента (рис.4).
Zrz, Тф - компоненты касательного напряжения; U - вектор скорости; Ur, Uq - компоненты вектора скорости
Алюминиевые сплавы являются одним из основных конструкционных материалов авиакосмической техники. Предел прочности самых распространенных литейных алюминиевых сплавов на базе системы Al-Si (силуминов) не превышает 400 МПа [21]. Несмотря на наличие большого количества алюминиевых сплавов, не все они отвечают возрастающим требованиям техники в части коррозионной стойкости, прочности, жаростойкости и т.д.
463
Одним из перспективных, с нашей точки зрения, является недавно созданный в МИСиС сплав Al-4Ca-Mn-Zn-Fe-Si. Его широкое применение ограничивает недостаточная технологическая изученность и определение возможности соединения с другими материалами. В качестве альтернативы силуминам предлагается использовать сплавы Al-Ca. Кальций образует с Al эвтектику, более дисперсную, по сравнению с Al-Si. Содержание фазы Al-Ca в этой эвтектике достигает 30 об.%, в то время, как доля Si в эвтектических силуминах < 10 об.% [22, 29]. Это позволяет реализовать лучшее сочетание технологичности и показателей физико-механических свойств. Дополнительно легировать сплавы выбранной системы предлагается добавками Mg, Zn, Cu, Ni, Fe, Mn, Zr и Sc,
В качестве материала для исследования мы использовали литейный эвтектический алюминиевый сплав на основе системы Al-Ca. Исследованию данного вопроса посвящена настоящая работа.
К достоинствам алюминиевых сплавов относят малую плотность в сочетании с высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью, высоким сопротивлением повторным нагрузкам, малой скоростью развития трещины усталости. Сплавы отличаются хорошей технологичностью в металлургическом и машиностроительном производстве: имеют хорошие литейные свойства, легко поддаются обработке давлением (из них изготавливают все виды полуфабрикатов), обработке резанием, размерному травлению, различным способам соединения (клепке, сварке, склеиванию), обладают способностью к образованию прочных защитных пленок [23-28].
В машиностроении композиционные материалы для гибридных заготовок широко применяются для создания защитных покрытий на поверхностях трения, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (поршни, шатуны).
Несомненный интерес представляет поиск возможности улучшения его механических и технологических
свойств.
Применение интенсивной пластической деформации является перспективным и достаточно хорошо разработанным методом измельчения зеренной структуры и улучшения комплексных свойств различных металлических материалов [30].
Большой интерес представляет исследование [31], выполненное по штамповке с кручением заготовки из сплава системы Al-Ca. Авторы установили, что штамповка с кручением вызывает интенсивные сдвиговые деформации, в тангенциальном направлении наблюдается качественная проработка структуры материала заготовки, в том числе формирование мелкозернистой структуры. В результате проведенного эксперимента установлено, что из сплава Al-Ca, имеющего в структуре около 55% интерметаллического соединения AUCa, возможно получить плотною заготовку с нулевой пористостью методом штамповки с кручением.
Результаты и их обсуждения. Объектом экспериментального исследования является сплав Al-3Ca-Mn-Zn-Fe-Si. Выполнены пробные эксперименты, направленные на формирование гибридной (составной) заготовки из двух заготовок сплава Al-3Ca-Mn-Zn-Fe-Si.
На рис. 5 показаны гибридные образцы из исследуемого сплава после их осадки с кручением при комнатной температуре (20 °С) в соответствии со схемой, представленной на рис 6. Исходные образцы (заготовка А и Б на рис.6) были получены резкой и имели диаметр 40,0 мм и высоту 20,0 мм (рис.5). Перед осадкой их поверхность тщательно протирались спиртом. После подготовки поверхности пакет из двух образцов осаживался на плоском инструменте, смонтированном на модернизированном гидравлическом прессе модели ДБ-2432 силой 1,6 МН [10], до высоты 17,7 мм (рис.6). По достижении этой высоты к пакету из двух заготовок помимо силы прикладывался крутящий момент [14]. Осадка с кручением выполнялась до достижения высоты ~7,00 мм (рис.6). В процессе всего испытания выполнялся замер температуры в заготовке А и Б за счет установленных термопар тип К (рис.6).
8 У Í 0 И 12 13 ¡4 15 16 17 18 19
шяяш
.............................. mu.........
Рис. 5. Исходные образцы сплава Al-3Ca-Mn-Zn-Fe-Si
Термопара тип К
Осадка
Осадка с кручением
Заготduna А
В
Заготс4ека Б
Конечная высота 7,00 мм
0100,0
Рис. 6. Схема осадки с кручением образцов 464
В результате приложения к заготовке наряду с осевой силой крутящего момента возникает сложная схема напряженно-деформированного состояния, обеспечивающая, как показали металлографические исследования, контакт свариваемых заготовок (рис.7,8).
Рис. 7 Макрошлиф из сплава Al-3Ca-Mn-Zn-Fe-Si после осадки с кручением
а б, х100 в, х100
Рис. 8. Структура сплава А1-3Са-Ип-Яп-Ке-Б1 после осадки с кручением: а - макроструктура; б - край заготовки, увеличение х100; с - центр заготовки, увеличение х100
Исследования в данном направлении могут быть проведены с применением CAE-моделирования операций обработки давлением, а также на основе проведения комплекса натурных испытаний, направленных на определение микротвердости, оценку микроструктуры, формируемой при пластической деформации, в том числе в зоне соединения двух материалов.
Выводы. Схема пластического деформирования «сжатие с кручением» обеспечивает получение гибридных заготовок из двух однородных материалов. Необходимо проведение дополнительных исследований, направленных на улучшение качества соединения, а также направленных на изучение соединения разнородных материалов под практическое применение, влияния шероховатости поверхностей, величины деформации, угла закручивания, температуры нагрева пакета на качество соединения.
Поведение материалов (см. рис. 7 и 8) подтверждает, что максимальное развитие пластической деформации достигается за счет интенсивного сдвига и наиболее ярко выражено в периферийной части получаемой заготовки. Интенсивный сдвиг имеет место при трении скольжения в поверхностных слоях материала и обусловлен наличием вращающегося инструмента.
Одним из перспективных направлений исследований является получение структуры гибридной заготовки на алюминиевой основе с разными новыми системами легирования с использованием простых технологических процессов ИПД. Система Al-Ca-Mn-Zn-Fe-Si при дальнейшем изучении системы сплава на основе Al-Ca-эвтектики по технологичности могут конкурировать с силуминами, а также образовывать с ними гибридные заготовки, которые могут превосходить силумины по свойствам.
Список литературы
1. Sushanta Kumar Panda, D. Ravi Kumar, Experimental and numerical studies on the forming behavior of tailor welded steel sheets in biaxial stretch forming, Materials and Design 31, 2010. P. 1365-1383.
2. Yuri Hovanski, PiyushUpadhyay, John Carsley, Tom Luzanski, Blair Carlson, Mark Eisenmenger, AyoubSou-lami, Dustin Marshall, Brandon Landino, And Susan Hartfield-Wunsch, Friction-Stir Welding to Enable Aluminum Tailor-Welded Blanks, JOM, Vol. 67, No. 5, 2015, 2015 The Minerals Materials and Design 31 (2010) 1365-1383, Metals & Materials Society.
3. XiaoRongshi, Zhang Xinyi. Problems and issues in laser beam welding of aluminum-lithium alloys. // Journal of Manufacturing Processes, 16 (2), 2014. P. 166-175.
4. Штремель М.А. Разрушение. В 2 кн. Кн. 1. Разрушение материала: моногр. М.: Изд. Дом МИСиС, 2014.
670 с.
5. Meyers М.А., Lin A.Y.-M., Chen P.-Y, Muy co J. Mechanical strength of abalone nacre: Role of the soft organic layer // J. of the Mechanical Behavior of Biomedical Mat. 2008. V. 1. P. 76-85.
6. Krueger M. Hybrid Materials: From Synthesis Towards Advanced Materials //HybridMat. 2013. V. l.N 1.
7. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидо-рин, Г.Ф. Косолапов и др. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 384 с
8. Кобелев А.Г, Потапов И.Н., Кузнецов Е.В. Технология слоистых металлов. М.: Металлургия. 1991.
248 с.
9. Дисперсноупрочненные, волокнистые и слоистые неорганические композиционные материалы: учебное пособие. Под ред. акад. РАН А.А. Ильина. М.: МАТИ, 2009. 306 с.
10. Кобелев А.Г, Лысак В.И., Чернышев В.Н. и др. Производство металлических слоистых композиционных материалов. М.: Интермет Инжиниринг. 2002. 496 с.
11. Айнбиндер С.Б. Холодная сварка металлов. Сцепление металлов при совместной пластической деформации. Рига: Изд. АНЛатв. ССР, 1957. 163 с.
12. Tocci M., Pola A., Vecchia G.M., Modigell M. Characterization of a new aluminium alloy for the production of wheels by Hybrid Aluminium Forging. Procedia Engineering 109, 2015. P. 303 - 311.
13. Krugera L., Jentscha E., Brunkeb L., KeBlerb A., Wolfb G., Lehnertc T., Schubert N. Development of an innovative lightweight piston through process combination «casting - forging», Procedia Manufacturing, 27. 2019. P. 172-176.
14. Субич В.Н., Демин В.А., Шестаков Н.А., Власов А.В. Штамповка с кручением: Монография. М.: МГИУ, 2008. 389 с.
15. Валиев Р.Р., Нестеров К.М., Сабиров И.Н., Смирнов И.В. Валиев Р.З. Способ интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением при ступенчатом нагреве заготовок. Патент РФ RU 2586188.
16. Карманов В.В. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов: сущность и специфические особенности процесса,особенности структуры сварного шва / В.В. Карманов, А.Л. Каменева, В.В. Карманов // Вестник Пермского Нац. исследовательского политехнического ун-та. Аэрокосмическая техника. 2012. № 32. С. 67-80.
17. Колубаев Е.А. Исследование особенностей микроструктуры алюминий магниевого сплава, полученной при сварке трением с перемешиванием // Известия высших учебных заведений. Физика. 2014, № 10. С. 22-27.
18. Panin V.E. Foundations of physical mesomechanics, Phys. Mesomech., 1 (1). 1998. P. 5-22.
19. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering: R: Reports., 50 (1-2), 2005. P. 1-78.
20. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.
21. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М,: МИСиС, 2005.
376 с.
22. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: Руда и металлы, 2016. 250 с.
23. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. 275 с.
24. Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г. Общая характеристика, классификация алюминиевых сплавов. Алюминий-литиевые сплавы. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. Т. II. Под ред. Фридляндера И.Н., Каблова Е.Н., Сенаторовой О.Г., Шалина Р.Е. М.: Машиностроение. 2001. С. 13-19.
25. Фридляндер И.Н., Добромыслов А.В., Ткаченко Е.А., Сенаторова О.Г. Перспективные высокопрочные материалы на алюминиевой основе // МиТОМ. 2005. № 7. С. 17-23.
26. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3-33.
27. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 226-230.
28. Алюминиевые деформируемые сплавы Фридляндер И.Н., Колобнев Н.И., Сандлер В.С. Алюминий-литиевые сплавы. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. Т. II-3. Под ред. Фридляндера И.Н., Каблова Е.Н., Сенаторовой О.Г., Шалина Р.Е. М.: Машиностроение. 2001. С. 156-185.
29. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: Руда и металлы, 2016. 258 с.
30. Валиев Р.З., Эстрин Ю., Хорита З., Лэнгдон Т.Г., Зехетбауэр М.Дж., Чжу Ю.Т. Матер. Рез. лат. 4, 2016.
P. 1 -21.
31. Наумова Е.А., Петров М.А., Степанов Б.А., Васильева Е.С. Штамповка с кручением заготовки из AlCa сплава с высоким содержанием интерметаллида AUCa // Цветные металлы. 2019. №1. С. 66-71.
Гневашев Андрей Александрович, аспирант, gneandrej@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доцент, petrov_p@mail.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Бурлаков Игорь Андреевич, д-р техн. наук, профессор, главный специалист УГТ производственного комплекса «Салют» АО «ОДК», i.burlakov@uecrus.com, Россия, Москва, Московский политехнический университет
JOINING BY COMBINED LOADING WITH A ROTATING TOOL OF HYBRID BLANKS A.A. Gnevashev, P.A. Petrov, I.A. Burlakov
The paper solves the problem of connecting the components of metallic materials over the entire contact surface when creating hybrid blanks for parts for the automotive and aviation industries based on the study of world experience. The technology for obtaining a hybrid workpiece consists in the joint deformation of components from materials assembled into a composite workpiece, as a result of which they seize under the action of pressure, temperature, and also increasing deformation in the area offrictional action of a rotating tool. Examples of manufacturing hybrid blanks are given. As an alternative to silumins, it is proposed to use alloys of the Al-3Ca-Mn-Zn-Fe-Si system.
Key words: hybrid blanks, severe plastic deformation, shaping, shear deformation, upsetting with torsion, eutec-tic aluminum alloy.
Gnevashev Andrey Alexandrovich, postgraduate, gneandrej@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow, Polytechnic
University,
Petrov Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petrov_p@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Burlakov Igor Andreevich, doctor of technical sciences, professor, chief specialist of the UGT production complex «Salyut» JSC «UEC», i.burlakov@uecrus.com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 621.771.23
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-467-468
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ДОКАТКИ КОНЦЕВЫХ УЧАСТКОВ ПОЛОС ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПНОЙ СТАЛИ ПРИ ПЕРВОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКЕ
А.А. Сафронов, С.М. Бельский, И.И. Шопин
Расход металла в значительной мере определяет экономическую эффективность процессов холодной прокатки полос и листов, в том числе электротехнической анизотропной стали. При порулонном производстве холоднокатаной электротехнической стали прокатка осуществляется в два этапа: сначала на промежуточную толщину, равную 0,6-0,7 мм, а затем на конечную толщину, равную 0,23-0,3 мм с промежуточным отжигом. Для уменьшения длины утолщенных передних и задних концевых участков холоднокатаных полос применяется технология докатки, которая, тем не менее, не обеспечивает стабильности величины утолщенных концевых участков холоднокатаных полос. В статье представлены результаты статистического анализа возможностей процесса до-катки при уменьшении и стабилизации длин утолщенных концевых участков холоднокатаных полос электротехнической анизотропной стали при первой холодной прокатке по данным одного из анализируемых периодов. Показано, что среднеквадратическое отклонение для длины утолщенных задних концевых участков можно снизить с 21,2 м до 10,2 м, а для длины утолщенных передних концевых участков снизить с 17,1 м до 11,8 м. Выбросы длины более 30 м и 75 м для задних и передних концевых участков соответственно возможно снизить на 70%.
Ключевые слова: холодная прокатка, электротехническая анизотропная сталь, докатка, концевой участок полосы, программное обеспечение MiniTAB.
Холодная прокатка стальных полос сопровождается не только уменьшением их толщины, но и такими эффектами формоизменения, как потеря полосой плоской формы [1-7], появление утолщенных концевых участков [8-10], проседание рулона после снятия с моталки и другими [11-14]. Для предупреждения и устранения дефектов формы и геометрических размеров используются различные методы: правка полосы в правильных машинах различного типа [15-20], изменение настройки стана в процессе прокатки [1,21-22], применение асимметричной прокатки [23-25]. При оценке экономической эффективности производства холоднокатаной тонколистовой продукции существенную роль играет расходный коэффициент металла. На станах порулонной холодной прокатки стальных полос электротехнической анизотропной стали (ЭАС) расход металла во многом определяется длиной утолщенных концевых участков.
Производство электротехнической анизотропной стали включает два этапа холодной прокатки: прокатка на промежуточную толщину 0,6 - 0,7 мм и прокатка на конечную толщину 0,23-0,3 мм с промежуточным отжигом. С целью экономии металла при первой холодной прокатке используется технология докатки концевых участков. Эта технология позволяет получить полосу с толщиной, пригодной для дальнейшей обработки в агрегатах непрерывного отжига и при этом получить экономию до тонны металла на каждом рулоне. На рис.1 представлен пример диаграммы толщины переднего концевого участка полосы ЭАС, но которой можно отметить два характерных участка. Первый - участок, толщиной более 1 мм (некондиция), который препятствует последующей обработке на агрегатах непрерывного отжига и вырубается в агрегатах подготовки холоднокатаных рулонов; за один из анализируемых периодов в 2020 г. доля полос с некондиционными участками составила 8,6%. Второй - участок уменьшения толщины с 1 мм до номинальной. Этот участок не препятствуют дальнейшей обработке полос и может быть выкатан в конечную толщину при второй холодной прокатке. Доля таких полос за тот же период составила 91,4%.
Аналогичная диаграмма может быть построена для толщины заднего концевого участка полосы. Длины указанных участков могут быть различными - в нормативной документации регламентируется только верхний предел длины некондиционного участка, который должен быть не более 8 метров. Доля металла с участком «некондиция» связана с регулированием толщины при заправке и выводе концевых участков полосы, обрывами и заправкой полосы после перевалки (в холодные валки). Из всего объема металла, прокатанного за рассматриваемый период 2020 г., доля металла с участком «некондиция» составила около 9% от всего объема (рис. 2).
Для оценки возможностей процесса докатки концевых участков был выполнен статистический анализ с помощью программного обеспечения MiniTAB. С помощью теста Андерсона-Дарлинга было проверено распределение длин переднего и заднего утолщенных концевых участков на нормальность; на рис.3-4 представлены результаты проверки распределения длин переднего и заднего утолщенных концевых участков. В обоих случаях параметр p-value < 0,05, т.е. нулевая гипотеза (распределение данных является нормальным распределением), следовательно, принимается альтернативная гипотеза о том, что распределение данных отличается от нормального.
Так как распределение данных не соответствует нормальному, то при описании процесса были использованы медианные значения длин концевых участков. Медианы на задних и передних концевых участков равны соответственно 15 м и 30,5 м. Наблюдается большое количество выбросов за верхние границы процесса - для заднего и переднего концевых участков они равны соответственно 35 м и 61 м (рис. 5).
Согласно [11-14] увеличение длины переднего утолщенного концевого участка связана прежде всего с предупреждением возможности потери рулоном устойчивости при снятии с моталки. На диаграммах анализа возможностей процесса докатки (рис. 6-7) видно, что существует значительный потенциал стабилизации процесса докатки концевых участков. Среднеквадратическое отклонение длины утолщенного переднего концевого участка можно снизить с 17,1 м до 11,8 м, а среднеквадратическое отклонение длины утолщенного заднего концевого участка можно снизить с 21,2 м до 10,2 м.
