Выдавливание заготовок через параллельные каналы матрицы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.777

ВЫДАВЛИВАНИЕ ЗАГОТОВОК ЧЕРЕЗ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ

КАНАЛЫ МАТРИЦЫ

Е.Н. Сосенушкин, А.Е. Сосенушкин, Е.А. Яновская

Рассмотрен инновационный процесс выдавливания в параллельных каналах, который обеспечивает получение ультрамелкозернистой структуры с более равномерным распределением механических свойств по объему заготовки за счет дополнительной знакопеременной деформации на входе в промежуточный канал и выходе из него. Сведены к минимуму искажения торцовых участков заготовки. Расчет силовых параметров проведен энергетическим методом верхней оценки.

Ключевые слова: выдавливание; ультрамелкозернистая структура; метод верхней оценки.

Актуальность темы. Процессы выдавливания заготовок из металлов через пересекающиеся каналы, разработанные в 70-х годах прошлого столетия [1], в настоящее время вызывают интерес исследователей в связи с развитием нанотехнологий. Конструкционные металлы после такой обработки обладают уникальным комплексом механических свойств, приобретая высокие прочностные характеристики, не теряя пластичности [2-6]. Это позволяет, многократно продавливая заготовки через каналы матрицы, накопить в их металле большие деформации, измельчив при этом структуру до размеров зерен около 100 нм. Ультрамелкозернистая структура деформируемых по данной технологии сплавов позволяет применять заготовки в медицине, авиа- и ракетостроении, а также при производстве энергетических установок. Ещё одной сферой применения таких заготовок является последующее формоизменение в условиях сверхпластичности, что позволяет за один переход получить любую по сложности форму поковки.

Однако рассматриваемые процессы не лишены недостатков, среди которых низкий коэффициент использования металла (КИМ) из-за искажения торцов заготовки [7], неоднородность деформаций по объему заготовки, а, значит, и неоднородность получаемых структур. Равноканальное прессование в параллельных каналах [8] позволяет повысить КИМ в связи с уменьшением искажений геометрии заготовки и увеличить интенсивность структурообразования в 2 раза по сравнению с традиционным угловым прессованием, но некоторая неоднородность деформации остается в прессуемых заготовках [9, 10].

Решение рассматриваемой проблемы. Авторами разработан новый инновационный процесс выдавливания в параллельных каналах [11],

суть которого в следующем. Для сведения к минимуму искажений геометрии торцевых участков заготовок и получения однородной мелкозернистой структуры необходимо в плоскостях сечения заготовки, перпендикулярных осям приемного и выходного каналов матрицы, выравнивать векторы скоростей перемещений. В этом случае геометрия пересекающихся каналов такова (рис. 1), что в одном из направлений промежуточный канал имеет меньший размер b относительно ширины каналов а, который рассчитывается так:

b = а ■ к, (1)

2 в

где к = 1 - 2 cos — - коэффициент, зависящий от угла пересечения каналов 110° <в< 120o.

Необходимость введения ограничений по углу пересечения каналов объясняется следующим. При геометрической идентичности сечения каналов, перпендикулярных осям приемного и выходного каналов матрицы, и углах пересечения 100° <в< 120°происходит наиболее интенсивное измельчение структуры, также при углах в > 110 ° обеспечивается отсутствие жестких зон [4]. Однако при углах в < 120 ° размер b промежуточного канала уменьшается более чем на 50 %, что существенно затрудняет течение металла, а при углах в> 130 ° деформации простого сдвига изменяются на изгиб, при котором измельчение структуры незначительно. Размер межосевого расстояния S приемного и выходного каналов целесообразно назна-

а

чить в диапазоне — < S < 2а для ограничения длины промежуточного канала, что снижает силы трения при угловом прессовании заготовки. Для возможности удаления заготовки из каналов матрица выполнена составной.

При течении металла через промежуточный канал заготовка подвергается дополнительной деформации сжатия, а при выдавливании заготовки через выходной канал подвергается растяжению и приобретает первоначальные размеры поперечного сечения а. Заполнение выходного канала металлом, вытесняемым из промежуточного канала, происходит за счет противодавления, создаваемого со стороны предыдущей заготовки, находящейся в матрице, силами контактного трения. Таким образом, заготовка подвергается двум актам деформации простым сдвигом и дополнительным двум актам знакопеременной деформации сжатия и растяжения, за счет чего повышается интенсивность образования мелкозернистой структуры металла заготовки, а также повышается однородность получаемых структур и, как следствие, повышаются механические характеристики металла, такие, как прочность и пластичность.

Допущения при использовании энергетического метода. Силовые параметры выдавливания через параллельные каналы рассчитаем энергетическим методом верхней оценки [12-18] при допущениях: материал заготовки жесткопластический, скачком переходит в пластическое состояние на границе областей в соответствии с условием пластичности Мизеса; материал инструмента является абсолютно жестким; на контактных поверхностях инструмента и заготовки силы трения пропорциональны сопротивлению деформирования а . Один из очагов деформации, расположенный

вблизи линии пересечения каналов матрицы, представим в виде жестких блоков 1,2,3,4, как показано на рис. 2, скользящих относительно друг друга и по границам жесткой зоны 0. Вдоль границ блоков касательные напря-

а „

жения максимальны: тк = к, к = -, на свободных поверхностях т к = 0, а на контактных подчиняется закону Зибеля: т = 2тк\т - фактор трения).

а б

Рис. 2. Схема разбиения пластической области (а) и годограф скоростей (б)

187

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 10. Ч. 2 Длины линий разрывов и соответствующие скорости перемещений

Н

У

12

-2 2

1 + —^с^ в

а

Р в

сое—^— 4 2

У)1

. (р в Ксгяв

—I---агс/р-

I 4 2 а

я2 2

-2- с'г 2в+1

а

23

-2(1 - втв)2 , К, . 4 у + 1 - 2—(1 - втв)

у01 в1п(/АКО + /СКО)

401

а2 вш2 в а

-2 2п , ■ (р в -с/рв

-в + 1 X в1п| — +--агс/р-—

а2 14 2 а

-2 (1 - вшв)2 2-л

-^т--^- + 1--(1 -Я

1 . 1 „ -

- 9 -2 9

а,(1 - 4 —сов2 в + — с/р2в а а2

у03 вш (ж - /КСО - /ОСИ)

У01

яп /.ОСИ

4- т -2 2

1--сов2 в +—— с/р 2 в

а „2

У01

- втв х--

а Р в

сов(---)

4 2

-2 , . р в -сев

—^сгр в +1 X вш— +--агср-—

а2 4 2 а

-2 (1 - В1пв)^ , 2-Г ~

—^-+1--(1 - Э1пв)х

V а2 в1п2 в а

- сов2 в

1 - э1п в)

а 2( Р в

сов |---

. I 4 2

+ сов 2в + э1пв

- (1 - э1пв)2 „-/,

—^-+1 - 2-(1 - втв)

V а2 э1п2 в а

э1п в - ч. ,

. 4 2

а| э1п2в--с/рв а

У01

4- 2 -2 2

1--сов2в + — с/р2 в

2

Примечание: /оси=ашр-

соэ2в

-

— с/рв- Э1п2в а

/АКО = агсвт-

, -2 л . (в ж -с/рв 1 + — с/рвх в1п| — +---аг/р-—

а2 .24 а J

-2 (1 - япв)2 , 2-л . ^

—^-+1--(1 - япв)

а2 яп2 в а

/СКО = агссов-

сов2 в 2 (1 - э1п в) 2 (ж в втв

сов |--

4 2

+ сов 2в + в1п в

втв

' (ж а2

сов|---

I 4 2,

I-2 (1 -в1пв)2 ,-,, ГТ

■ 2Д +1" 2 -(1 - 81пв) | а в1п в а

/КСО = агсвт—

-2 (1 - втв)2 2-, ^-+1--(1 - втв

2 а

4- 2 -2 2

1--сов2 в +—— с/р 2 в

а а2

-х 1 -

2( ж в

сов |---

. 4 2

-2 (1 -втв)2 К,

-^г--+1 - 2—(1 - я

22 а в1п в

х (сов 2в + э1п в) + (сов 2в + э1п в)2

I

V

а

3

4

0

2

0

3

2

51пв

X Э1П

0

4

в1п2 в

х

а

Результаты и дискуссия. Силу деформирования найдём из уравнения баланса мощностей внутренних и внешних сил с учетом сил трения [12]:

; = (112У12 + ¡23У23 + ¡34^34 + ¡02У02 + ¡03У03 + ¡04^04 + 2т1заг 'ОлУ (2) к

Подставив известные параметры (таблица) и проведя необходимые преобразования, получим соотношение для расчета относительной силы углового прессования:

1 + 4 ^ 2е р + е |

р + 1_х

— —-7-\—I . -/ч

к SinГе + р-апя*^ 1 Г^ Ге р Яс^б1

V 2 + 4 Щ а ) Л1 + + 4 -

х-

Я2 (1 - sin е)2 2Я

22 а sin е

+1—(1 - ^п е)

Г р е 1

cosl---I

14 2 )

:Х——--х

2sin е

а

1

х

2

Я .2(

х

а

ГГ

2Я а

. Г е р

I -Ч"

яа^е

1 +—— сХя е sin — +---аМе

2 2 4 а

х

М

cos2 е 2(1 - sin е)

2 Г ре

cos

sin е

Ч ч

+ (cos2е+sin е)

42

+

))

+ .

Я2 (1 - sin е)2 2я

22 а sin е

+1 -—(1 - ^п е)х

а

2

„ sin2 е Г я2 (1 - ^п е)2 , дЛ . Лч

4-т-— х —^-ТГ-!— +1 - 2—(1 - ^п е)

х

cos

.2 Г р-е

4 2,

2

2

22 а sin е

а

ГГ

Я а

ЧЧ

2+

cos2 е

2 Г р е

-2

cos

(1 - ^п е) sin е

+cos2е+sin е

+ -

1

i

R2 (1 - sin e)2 2R

x

22 a sin e

+1 -—(1 - sin e)

a

x

í p e4

cos---

V 4 2y

2sin e

R2 (l - sin e)2 2R

a2 sin2 e

+1—(l - sin e)2 -

a

R

x

a

ctgö - sin 2e

í r

R a

cos2 e

2

pe

2

42

V

cos

VV

+cos 2e+sin e

(l - sin e)

sine

2

+

'RctgO- sin2e + cos2 2e a

- +

. 4 R 2л R2 2л ín 2 l—cos2 e+-y ctg 2e-

+ -

a

a

(i - sin e)2

2 2 a sin e

R

-1 + 2-(l - sin e)

a

cos 2e

ctge - sin 2e x JR ctge - sin 2e + cos2 2e a \ a

x

x

1

R2 (1 - sin e)2 2R

22 a sin e

+1—(1 - sin e)

a

+

4

cos

sin2 e p e

x

V 4 2 j

í R2 (1 - sin e)2 R ( . e)A2

—^—1 - 2—(l - sin e)

V a2 sin2 e a J

R a

cos2 e

cos

V V V

p-e

4 2

2

(1 - sin e)

sin e

+ cos 2e + sin e

2

+ -

гХ

я2 (1 -вте)2 2я(л . м

—1—(1 - вт е)

а2 вт2 е а

Г р ел

СОВ---

Ч 4 2 у

2вт е

я2 (1 - вт е)2 2ял . м2 -г-—1—(1 - вт е)2

22 а вт е

Г г

я

а

Ч

сов2 е

сов

ч4 2 у

а

-2

л л

(1 - вт е)

вт е

+

+сов 2е+вт е

х

1

2

х

х

я

а

с/ее- вт2е

ясее- вш2е+сов22е

а

■+

! 4я 2 е+ я2 2е 1--сов е+——^ е-

а

а

я2 (1 -вте)2 _ял . м -^— 1 + 2 — (1 - вт е)

а2 вт2 е а

сов 2е

+ ■

я с/^е - вт 2е я сее - вт 2е+сов2 2е а V а

(3)

ч )

Результаты расчетов с изменением входных параметров приводят к графикам, показанным на рис.3.

При фиксированном угле пересечения 20=110°, одинаковом радиусе сопряжения каналов (Я=5 мм) увеличение ширины каналов приводит к

возрастанию удельной силы прессования Р; при фиксированном факторе

к

трения (т=0,05) увеличение угла пересечения каналов способствует снижению относительной силы прессования. Материал заготовок - сплав АМг6. При оценке деформированного состояния металла заготовки учтем, что суммарная деформация сдвига складывается из деформаций сдвига на линиях разрыва скоростей:

Уи

у;

(4)

а £

0,5

(е(.э=11й

0,009 0,014 0,019 0,024

Ширина канала, м

о.огз

а

б

Рис. 3. Характер изменения относительной силы выдавливания через параллельные каналы от основных технологических параметров: а - ширины канала; б - угла пересечения каналов

С учетом составляющих деформаций сдвига

У

ж еЛ

сов( + ) х.. 4 2 \

я 2

яу с/е 2е+1

а 2

12

. ж е я^ее.

вт( +---аг^-—)

4 2 а

У

я2 (1 - вт е)2 2я (1 . о) —^-+1--(1 - вт е)

2 вт2 е а

а

23

я2 2л 1 .

—се +1х вт

а2

гк е яс/?еЛ

—I---аШ?-—

4 2 а

• х вт(АЛКО + АСОК); (5)

у

У

34

1

4 я

1 -—соэ2 е + 2е х эЦАКСО + АОСЫ)

я2 .2

а

а

2

х

я2 (1 - вт е)2 1 2я

а

2 вт2 е

+1—(1 - вт е)х

а

4вт2 е

сов

2

4 2

х

я2 (1 - вт е)2 1 2я (л .

—1—(1 - вт е)

а2 вт2 е а

х

V^

г г

я

а

сов

сов2 е - 2(1 - вт е)

г% е 1 в1пе

Ч Ч ч 4 2)

2

+сов2е+вт е

х

Г я 12

с/?6- вт2е Ч а )

сов2е

х

1

я

2

а

с/?0- вт2е

+ сов2 2е

и двух очагов деформации получим значение суммарной деформации сдвига

У = 2(У 12 + У 23 +У 34 ).

(6)

Интенсивность накопленных пластических деформаций найдём из У

соотношения ег- . Графики на рис.4 иллюстрируют характер измене-

л/3

ния суммарной деформации сдвига в зависимости от радиуса сопряжения каналов за цикл обработки.

1

1,2

I*

О

0,002 0Г004 0Г006 ОгООВ 0,01

Р^диу; сопряжения каналов

Рис.4. Характер изменения суммарной сдвиговой деформации

Заключение. Разработанный штамп для реализации инновационного процесса выдавливания через параллельные каналы позволяет уменьшить искажение геометрической формы прессуемой заготовки, что повышает КИМ; дополнительная знакопеременная деформация заготовки обеспечивает высокий уровень пластических свойств, повышает однородность получаемых ультрамелкозернистых структур; выявлена и теоретически обоснована с помощью энергетического метода верхней оценки зависимость между значениями геометрических параметров, таких, как угол пересечения и ширина каналов, и энергосиловыми и деформационными параметрами выдавливания через параллельные каналы.

Список литературы

1. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Наука и техника, 1994. 232с.

2. Сосенушкин Е.Н., Овечкин Л.М., Сосенушкин А.Е. Совершенствование процессов интенсивной пластической деформации // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2012. №1 (18). С.22-25.

3. Влияние кинематики течения металла на эволюцию микроструктуры и свойства заготовок при равноканальном угловом прессовании / Е.Н. Сосенушкин [и др.] // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. №11. 2012. С. 19-22.

4. Патент №86507 на полезную модель. Устройство для равнока-нального углового прессования Сосенушкин Е.Н., Овечкин Л.М., Артес А.Э., Смирнов А.М., Сосенушкин А.Е. 10.09.2009. - Бюл. №25.

5. Патент №2440210 на изобретение. Штамп для равноканального углового прессования / Сосенушкин Е.Н., Овечкин Л.М., Сосенушкин А.Е.

194

20.01.2012. Бюл.№2.

6. Патент № 133440 на полезную модель. Штамп для углового прессования Сосенушкин Е.Н., Сосенушкин А.Е., Яновская Е.А. 20.10.2013. Бюл.№29.

7. Сосенушкин А.Е., Артес А.Э., Сосенушкин Е.Н. Математическое моделирование равноканального углового прессования // Технология машиностроения. №12. 2011. С.53-56.

8. Интенсивная пластическая деформация цилиндрической заготовки из сплава 6061 равноканальным угловым прессованием в параллельных каналах / А.В. Боткин [и др.] // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2009. №4. С. 33-38.

9. Патент на полезную модель №141441 Штамп для углового прессования/ Сосенушкин Е.Н., Артес А.Э., Сосенушкин А.Е., Яновская Е.А. МГТУ «СТАНКИН», 2014. 10.06.2014.

10. Утяшев Ф.З. Современные методы интенсивной пластической деформации. Уфа: УГАТУ, 2008. 313с.

11. Патент на изобретение №2509621 Штамп для углового прессования/ Сосенушкин Е.Н., Цфас Г.М., Яновская Е.А., Белокопытов В.В., Сосенушкин А.Е. МГТУ «СТАНКИН», 20.03.2014. Бюл. №8.

12. Сосенушкин Е.Н., Яновская Е.А., Сосенушкин А.Е. Верхняя оценка силовых и деформационных параметров равноканального углового прессования в параллельных каналах// Известия Самарского научного центра РАН. Т. 14. №4(5). 2012. С.1291-1294.

13. Sosenushkin E., Sosenushkin A. Simulation of the equal channel angular extrusión technology// IX International congress machines, technologies, materials 2012. September 19-21 2012, Varna, Bulgaria. P. 110-112.

14. Сосенушкин Е.Н., Сосенушкин А.Е. Оценка силовых параметров и деформированного состояния заготовки при равноканальном угловом прессовании // Труды Международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии». СПб: Санкт-Петербургский ГПУ, 2011. С.233-235.

15. Сосенушкин Е.Н., Белокопытов В.В., Сосенушкин А.Е. Температурная интенсификация процесса равноканального углового прессования в параллельных каналах // Перспективы инновационного и конкурентоспособного развития кузнечно-прессового машиностроения и кузнечно-штамповочных производств. Рязань: ОАО «Тяжпрессмаш», 2012. С. 271279.

16. Сосенушкин Е.Н., Яновская Е.А., Сосенушкин А.Е. Формирование мелкозернистой структуры металлов комбинированным методом интенсивной пластической деформации // Труды ХХ Международной конференции «Математика, компьютер, образование». М.: Ижевск, 2013. С.193.

17. Сосенушкин А.Е. Обобщенная расчетная схема процесса угло-

вого прессования и автоматизация построения годографов скоростей перемещений // Труды XV Научной конференции «Математическое моделирование и информатика». М.: МГТУ «СТАНКИН», 2013. С.188-190.

18. Сосенушкин А.Е, Сосенушкин Е.Н., Яновская Е.А. Моделирование кинематически возможных полей скоростей процесса углового прессования в пересекающихся каналах для расчета энерго-силовых параметров // Фундаментальные физико-математические проблемы и моделирование технико-технологических систем: материалы II Международной научной конференции «Моделирование нелинейных процессов и систем». Том 2. Вып. 15. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2013. С.185-193.

Сосенушкин Евгений Николаевич, д-р техн. наук, проф., senastankin.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Сосенушкин Александр Евгеньевич, асп., senastankin.ru Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Яновская Елена Александровна, канд. техн. наук, доц., elena _yanovskayaa,bk.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

EXTRUSION OF BLANKS THROUGH PARALLEL STAMPING MOLD CHANNELS E.N. Sosenushkin, A.E. Sosenushkin, E.A. Yanovskaya

This article covers the innovation process - extrusion through parallel channels, which assures ultra-fine grain pattern with evenly distributed by volume mechanical properties through additional alternating strain at entry into the in-between channel and at the output of it. Distortion of the front part of the blank is minimized. Power parameters are calculated via upper-bound method.

Key words: extrusion; ultra-fine grain pattern; upper-bound method.

Sosenushkin Eugeniy Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, sena stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology

Sosenushkin Aleksandr Evgenevich, postgraduate, sena stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology

Yanovskaya Elena Aleksandrovna, candidate of technical sciences, associated

professor, elena_ yanovskayaabk.ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology