Вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний вищий навчальний заклад

«Донецький національний технічний університет»

УДК 621.77.043

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії

Спеціальність 05.03.05 «Процеси та машини обробки тиском»

Прокоф'єва Оксана Вікторівна

Донецьк 2008

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За останні десятиліття отримали інтенсивний розвиток процеси обробки тиском, в яких досягаються великі деформації при тому, що форма і розміри заготовок після обробки практично співпадають з початковими. Задача вказаних процесів, що отримали назву інтенсивної пластичної деформації (ІПД), полягає в перетворенні структури і властивостей металів шляхом подрібнення зерен до субмікронних розмірів. Сильнодеформовані метали при цьому набувають підвищених, а часто якісно нових функціональних властивостей, що представляють практичний інтерес, наприклад, поєднання високої міцності з високою пластичністю. Це відкриває широкі можливості, як для вдосконалення наявних конструкцій, так і для виготовлення принципово нових пристроїв.

У всьому світі, процеси ІПД поки знаходяться на стадії лабораторного дослідження та дослідних розробок. Це, по-перше, пов'язано з тим, що субмікрокристалічні (СМК) метали поки ще не завоювали свого ринку, а по-друге - з недосконалістю самих процесів ІПД.

Гвинтова екструзія (ГЕ) відноситься до процесів ІПД. Вона має цілу низку особливостей, як з боку напружено-деформованого стана (НДС) заготовки, так і в технологічній реалізації. Це робить процес привабливим як для досліджень в області матеріалознавства і фізики металів, так і для практики. Проте можливості ГЕ реалізовані далеко не повною мірою внаслідок слабкого розвитку методів розрахунку і проектування цього процесу. Останнє обумовлене тим, що недостатньо вивчена механіка процесу, немає обґрунтованих моделей для дослідження структур і властивостей матеріалів на стадії проектування, немає співвідношень для розрахунку основних геометричних параметрів деформуючого інструменту. Методи проектування ГЕ неефективні і спираються в основному на дані, отримані емпіричним шляхом. У зв'язку з цим актуальною є науково-технічна задача вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії на основі дослідження напружено-деформованого стану заготовки і розвитку моделі процесів формування структури та властивостей металів при зазначеній обробці.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпосередньо зв'язана з держбюджетними науково-дослідними темами Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України: «Фізика нерівноважних станів наноструктурних матеріалів, отриманих при високих тисках» (номер державної реєстрації 0103U005973); «Фізика нових станів конденсованих систем, сформованих в умовах високих тисків» (номер державної реєстрації 0102U003201); «Розробка методів інтенсивної пластичної деформації та створення об'ємних зразків наноматеріалів з високими властивостями» (номер державної реєстрації 0106U000899); «Фізика формування об'ємних наноматеріалів шляхом структурної перебудови твердих тіл» (номер державної реєстрації 0106U006931); «Мультимасштабні ефекти тиску в формуванні наноструктурного стану і фізичних та механічних властивостей твердих тіл» (номер державної реєстрації 0107U002078); «Фізичні основи технологій створення об'ємних наноструктурних виробів шляхом комплексної обробки із застосуванням високих тисків» (номер державної реєстрації 0107U006334). В усіх перерахованих роботах здобувач брав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є вдосконалення методів розрахунку і проектування гвинтової екструзії для підвищення ефективності процесу і поліпшення механічних властивостей оброблюваних заготовок на основі дослідження напружено-деформованого стану матеріалу і розвитку моделі процесів формування структури та властивостей металів при гвинтовій екструзії.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені наступні завдання:

-- оцінити вплив форми поперечного перерізу каналу гвинтової матриці на розподіл потоків матеріалу в процесі ГЕ, а також рівень контактних навантажень на поверхню каналу. Визначити найбільш ефективну геометрію матриці відповідно до мети обробки;

-- оцінити необхідну висоту гвинтової ділянки матриці, що забезпечує якісне деформування заготовок;

-- удосконалити експериментально-розрахунковий метод визначення НДС заготовки при ГЕ з метою використання на етапі проектування технології;

-- дослідити еволюцію параметрів структури і, як наслідок, механічних властивостей матеріалу при ГЕ на основі континуальной моделі процесів фрагментації і руйнування матеріалів при ІПД. На підґрунті отриманих прогнозів провести аналіз різних режимів деформування ГЕ;

-- удосконалити методи проектування процесу ГЕ, узагальнивши отримані в роботі результати.

Об'єкт дослідження. Процес інтенсивної пластичної деформації - гвинтова екструзія.

Предмет дослідження. Методи розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії.

Методи дослідження. Дослідження деформованого та напруженого стану матеріалу при ГЕ виконане на основі співвідношень теорії пластичного плину із застосуванням вдосконаленого автором експериментально-розрахункового методу. Дослідження еволюції характеристик структури при ГЕ виконане на основі вдосконаленої автором математичної моделі процесів фрагментації і руйнування металів. При визначенні зміни структурних параметрів використані дані з НДС уздовж ліній току, отримані експериментально-розрахунковим методом. Механічні властивості визначали методом виміру твердості і випробуваннями на розтягання. Для аналізу структур використовували оптичну мікроскопію. Математичне і комп'ютерне моделювання проводили в пакеті MatLab.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Отримали подальший розвиток уявлення про структуру осередку деформації при гвинтовій екструзії: виявлені активні ділянки поверхні контакту заготовки з матрицею, які характеризуються найбільш високим контактним тиском і створюють обертаючий момент, що деформує заготовку. Показано, що відносна площа і розподіл активних ділянок за периметром каналу матриці мають істотний вплив на плин металу при гвинтовій екструзії. Зокрема, більш рівномірний їх розподіл призводить до зниження контактного тиску та інтенсифікації зсуву на початку і в кінці геометричного осередку деформації, а нерівномірний - підвищує контактний тиск і інтенсифікує перетікання металу в межах цього осередку.

2. Вперше показано, що виявлене раніше експериментально перетікання металу в межах поперечного перерізу заготовки при гвинтовій екструзії, з достатньо високим ступенем точності описується перетворенням простого зсуву сумісного з одночасним поворотом, пропорційним куту зсуву. Виявлена закономірність дозволила удосконалити експериментально-розрахунковий метод дослідження плину металу при гвинтовій екструзії, внаслідок чого він став придатним при проектуванні цього процесу.

3. Отримала подальший розвиток математична модель процесів фрагментації і руйнування металів при інтенсивній пластичній деформації шляхом урахування того факту, що напружено-деформований стан матеріальних часток змінюється при їх русі уздовж ліній току. Модель дозволила встановити залежність структурних і механічних характеристик металу від параметрів процесу. Показано якісну і кількісну відповідність результатів прогнозу за моделлю експериментальним даним, зокрема, погрішність у визначенні напруження плину для міді, не перевищує 14%. На основі розробленої моделі виявлені основні, рекомендовані для практики, маршрути гвинтової екструзії, що відрізняються впливом на структуру і властивості металів.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення має удосконалений метод проектування ГЕ, шляхом застосування до нього об'єктно-орієнтованого підходу, та розроблені проектні операції. Він дозволяє в короткий термін визначати параметри і режими деформування, які забезпечують отримання заготовок з необхідними структурою і властивостями.

Метод оперативного аналізу плину матеріалу при ГЕ, що дозволяє на етапі проектування технології визначати деформований і напружений стан заготовки.

Математичні моделі, методи розрахунку і принципи проектування процесу ГЕ використовуються в навчальному процесі кафедри «Обробка металів тиском» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет»; сумісної кафедри ДонФТІ ім. О.О. Галкіна і Донецького національного університету; кафедри «Матеріалознавство, технологія і термообробка металів» Донбаської державної машинобудівної академії; кафедри «Прикладне матеріалознавство» Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.

Розроблені методи розрахунку і проектування процесу ГЕ використовуються у відділі №16 „Фізика високих тисків і перспективних технологій” ДонФТІ ім. О.О. Галкіна НАН України (ДонФТІ НАНУ).

Експериментальні дані щодо ліній току матеріалу при ГЕ, отримані із застосуванням вдосконаленого експериментально-розрахункового методу, використані в Інституті фізики твердого тіла, матеріалознавства і технологій Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» для оптимізації кінцево-елементних розрахунків ГЕ з використанням програмного комплексу LS-DYNA.

Заготовки з титанового сплаву ВТ1-0, оброблені ГЕ з урахуванням вдосконалених методів розрахунку і проектування процесу, використовуються в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України як матеріал для досліджень. Титанові заготовки (сплав ВТ1-0), отримані ГЕ із застосуванням розроблених методів розрахунку і подальшою гідроекструзією, передані в Інститут машинознавства ім. А.А. Благонравова РАН для виготовлення титанового дроту.

Рекомендації з проектування і програмні засоби для розрахунку гвинтових матриць, що містяться в роботі, передані на ДП «Техноскрап» ТОВ «Скрап». Ці розробки дозволять проектувати матриці з низькою матеріаломісткістю і підвищеною стійкістю. Очікуваний річний економічний ефект складає 39 833 грн/рік.

Особистий внесок здобувача. Основна частина досліджень, які ввійшли в дисертаційну роботу, виконана разом зі співробітниками відділу №16 «Фізика високих тисків і перспективних технологій» ДонФТІ НАНУ. При цьому автору належить: аналіз сучасного положення процесів ІПД в світі, завдань і особливостей їх проектування; проведення теоретичних досліджень і комп'ютерного моделювання; вивчення деформованого і напруженого стану заготовки в процесі ГЕ; розробка нових і вдосконалення існуючих методів розрахунку і обробки даних; аналіз експериментальних даних, отриманих як самостійно, так і виконаних в лабораторії іншими дослідниками або опублікованих в літературі; застосування до процесу ГЕ об'єктно-орієнтованого підходу проектування. Результати досліджень, виконаних спільно з працівниками ДонФТІ НАНУ, опубліковані із співавторами. Конкретний особистий внесок здобувача в цих роботах подано у вигляді коротких анотацій після вказівки їх номерів у списку опублікованих робіт за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорені на: V Уральській школі-семинарі металознавців-молодих вчених, 17-22.11.2003, м. Єкатеринбург, Росія; міжнародній науково-технічній конференції «Процеси і машини обробки тиском» в 2004-2007 р., м. Краматорськ; міжнародній конференції «Високі тиски», 2004, 2006 р., м. Донецьк; NATO ARW “Nanostructured Materials by High-Pressure Severe Plastic Deformation”, 22-26.09.2004, Donetsk; Євразійській науково-практичній конференції «Міцність неоднорідних структур ПРОСТ» в 2004, 2006 р., м. Москва, Росія; Уральській школі металознавців-термістів «Актуальні проблеми фізичного металознавства сталей і сплавів», 2004 м. Кіров, 2006 м. Тольяті, Росія; міжнародному семінарі «Нанотехнологія і фізика функціональних нанокристалічних матеріалів», 18-22.04.2005, м. Єкатеринбург, Росія; міжнародній конференції «Актуальні проблеми міцності», м. Вологда, Росія; міжнародній науково-технічній конференції «Неруйнуючий контроль і діагностика», 5-11.09.2005, м. Єкатеринбург, Росія; «Фізика міцності і пластичності матеріалів», 26-29.06.2006, м. Самара, Росія; міжнародній конференції «Нанорозмірні системи НАНСИС-2007», 21-23.11.2007, м. Київ; семінарі кафедри «Обробка металів тиском» в ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», 2008 р.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 10 наукових працях, у тому числі: 8 статей у наукових журналах, 2 статті у збірниках наукових праць. Всі 10 статей опубліковано у фахових виданнях ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (168 найменувань) і 3 додатків. Повний обсяг дисертації - 196 сторінок, загальний обсяг - 138. У розділах дисертації 37 рисунків (у тому числі 9 на окремих сторінках) і 16 таблиць (у тому числі 4 на окремих сторінках).

Основний зміст роботи

Розділ 1. Процеси інтенсивної пластичної деформації. Особливості їх розрахунку і проектування

Подано аналіз сучасного стану досліджень і розробок в області ІПД, виявлені особливості розрахунку і проектування цих процесів. Значній внесок до розвитку процесів ІПД внесли: В.М. Сегал, Р.З. Валієв, Я.Ю. Бейгельзімер, В.М. Варюхін, В.З. Спусканюк, В.В. Столяров, В.П. Копилов, Ю.Р. Колобов, Г.О. Саліщев, Ю.М. Подрезов, С.О. Фірстов, В.В. Рибін, С.В. Добаткин, О.О. Розенберг, T. Langdon, Y. Zhu, T. Lowe, Z. Horita, M. Zehetbauer, N. Kim і ін.

Показано, що процеси ІПД, націлені на формування в матеріалі СМК структур, в даний час знаходяться на стадії лабораторного дослідження і дослідних розробок. Проте, потенційні ринки СМК матеріалів існують фактично у кожній галузі промисловості.

Показано, що ГЕ є одним з основних процесів ІПД, має ряд відмітних особливостей і володіє можливостями, які принципово не реалізовуються іншими відомими процесами ІПД. В даний час потенціал ГЕ розкритий не повністю. Проектування процесу, до моменту початку даного дослідження, здійснювалося, в основному, на емпіричних даних. Аналіз досвіду застосування МКЕ для моделювання процесів ІПД свідчить про необхідність його настройки на експериментальних даних для отримання коректних результатів. Існуючий експериментально-розрахунковий метод аналізу плину при ГЕ не придатний для задач проектування зважаючи на складність і тривалість його реалізації. Не розроблені співвідношення, які дозволяли б прогнозувати параметри структури і механічні властивості матеріалу, що деформувався, на стадії проектування. Все це обґрунтовує необхідність в розвитку відповідних методів розрахунку і проектування процесу ГЕ.

Розділ 2. Вибір методів дослідження і матеріалів

Як матеріали для проведення експериментальних досліджень були вибрані мідь марки М1, вторинний алюмінієвий сплав АК9 і технічно чистий титан марки ВТ1-0. Вибір титану обумовлений перспективністю практичного застосування даного матеріалу, коли в ньому сформований комплекс підвищених механічних властивостей. Мідь є класичним модельним матеріалом, а сплав АК9 вибраний у зв'язку з актуальною на сьогоднішній день задачею підвищення пластичності вторинних алюмінієвих сплавів.

НДС заготовки при ГЕ знаходили експериментально-розрахунковим методом, оскільки чисельні методи базуються на визначальних співвідношеннях металу, які поки недостатньо вивчені в умовах ІПД. Використаний в роботі експериментально-розрахунковий метод спирається на визначення так званої функції перетікання , що забезпечує якнайкраще наближення експериментальних ліній току теоретичними. У попередніх роботах функція містила велику кількість параметрів, для знаходження яких необхідно було мати інформацію про координати ліній току більш, ніж у 30 перерізах заготовки. Виконаний детальний аналіз експериментів дозволив встановити, що з достатньо високим ступенем точності функція перетікання має вигляд

де описує зміну кута скату каналу матриці, включаючи його західну та калібруючу частину, - параметр. У розділі 3 дисертації показано, що різке скорочення числа параметрів функції пояснюється виявленою закономірністю перетікання металу в межах поперечного перерізу заготовки при ГЕ.

Як базова модель теоретичного прогнозу структурних параметрів і механічних властивостей металів, прийнята модель процесів фрагментації і руйнування матеріалів при ІПД. Для неї встановлені значення параметрів та зазначена необхідність конкретизації для процесу ГЕ, шляхом обліку зміни НДС матеріалу уздовж ліній току.

Для проектування процесу ГЕ прийнятий об'єктно-орієнтований підхід, як найбільш припустимий у разі дрібносерійного виробництва. Кожному параметру процесу (об'єкту) ставиться у відповідність своя проектна операція, що визначає значення його складових. Це може здійснюватися одним з наступних методів: вибір з набору рекомендацій на основі даних, що є на момент звернення до відповідної операції; отримання інформації з баз даних (завдання констант); отримання нових даних на основі вже наявних шляхом розрахунків по методиках, закладених в даній проектній операції.

Для проектних операцій визначена структура, представлена в таблиці 1.

Таблиця 1. Структура проектної операції

Найменування проектної операції
Проектований об'єкт
Об'єкти, значення яких необхідні
Методи визначення значення об'єкту

На основі поставлених в роботі задач, для ГЕ введені наступні проектні операції: визначення форми профілю матриці, визначення висоти гвинтового каналу, визначення НДС заготовки, визначення режиму деформації. Інформаційна взаємодія між ними здійснюється за принципом «класної дошки», на якій паралельно виконувані процеси знаходять необхідну інформацію, і на яку поступають дані їх роботи, що можуть використовуватись надалі іншими процесами. Проектування є наступною процедурою: надходження запиту на визначення якого-небудь об'єкту; звернення до відповідної йому проектної операції; пошук на «класній дошці» цього об'єкту або його складових; якщо об'єкт не знайдений, то пошук на «класній дошці» об'єктів, значення яких необхідні для визначення шуканого; запуск методів визначення, зашитих в проектній операції, на основі наявної інформації.

Розділ 3. Вплив параметрів деформуючого інструменту на характеристики пластичного плину при гвинтовій екструзії

У цьому розділі отримали подальший розвиток уявлення про структуру осередку деформації при ГЕ: виявлені активні ділянки поверхні контакту заготовки з матрицею, які характеризуються найбільш високим контактним тиском і створюють обертальний момент, що деформує заготовку. Їх більш рівномірний розподіл призводить до зниження контактного тиску та інтенсифікації зсуву на початку і кінці геометричного осередку деформації, а нерівномірне - підвищує контактний тиск та інтенсифікує перетікання металу в межах цього осередку.

Для кількісного зіставлення двох довільних профілів перерізу гвинтових матриць введено параметр , що є відношенням середнього контактного тиску на активних ділянках матриці 1 до відповідної величини для матриці 2

, (1)

де , - циліндричні координати, - рівняння контуру перерізу матриці, - максимальне значення на контурі (радіус описаного кола), - кут скату гвинтової лінії при , - елемент гвинтової поверхні; індекси 1 і 2 означають першу і другу матриці, відповідно.

Якщо , то профіль 2 створює більш рівномірний розподіл контактного тиску, має менше його значення і викликає менше перетікання металу в межах поперечного перерізу заготовки, ніж профіль 1.

Введений параметр дозволив розробити проектну операцію CS «Визначення форми профілю гвинтового каналу» для призначення форми перерізу каналу гвинтової матриці залежно від завдання обробки.

Отримане рівняння, розв'язанням якого є необхідна висота гвинтової ділянки каналу матриці. Воно базується на припущенні, що весь переріз заготовки переходить до пластичного стану, коли обертаючий момент, що створюється активними ділянками матриці, досягає свого критичного значення. Матриці з недостатньо високою гвинтовою ділянкою призводять до слабкого пророблювання структури, а матриці з надмірно великою гвинтовою ділянкою - до завищених значень тиску екструзії за рахунок збільшеної поверхні тертя, що знижує стійкість інструменту. Вказане рівняння має вигляд

, (2)

де - шукана висота гвинтової ділянки каналу матриці, а інтеґрування ведеться тільки по активним ділянкам поверхні гвинтової матриці.

На цій основі розроблена проектна операція DH «Визначення висоти гвинтового каналу». Об'єкти, значення яких необхідні для реалізації даної операції - геометричні параметри гвинтового каналу і форма його профілю. Методи визначення об'єкту полягають в чисельному вирішенні відповідного рівняння.

Аналіз отриманих експериментально-розрахунковим методом результатів дозволив показати, що перетікання металу в межах поперечного перерізу заготовки при ГЕ, з достатньо високим ступенем точності описується перетворенням простого зсуву, сумісного з одночасним поворотом, пропорційним куту зсуву. У роботі ця закономірність трактується як додатковий зсув, площина якого паралельна осі екструзії. На рис.1 представлена схема зсувів, що відбуваються при ГЕ.

Виявлена закономірність дозволила удосконалити експериментально-розрахунковий метод дослідження плину металу при ГЕ і на його основі запропонувати метод оперативного аналізу, придатний для проектування процесу ГЕ. Принципова відмінність нового методу в обробці експериментальних даних полягає у можливості опису всього перебігу матеріалу при ГЕ з використанням лише одного підгінного параметра , значення якого визначається з умови якнайкращого наближення експериментальних даних.

У плані технічної реалізації аналіз даним методом спирається лише на дві картини міток - початкову (до деформування) і після деформування ГЕ. Це виключає складний процес нарізки зразка з фіксованим малим кроком та подальшу обробку серії послідовних перерізів, за рахунок чого значно скорочується об'єм експериментальних даних і час, необхідний для їх обробки.

Запропонований метод оперативного аналізу був протестований шляхом обробки результатів одного і того ж експерименту з виявлення ліній току при ГЕ. Розбіжність результатів, отриманих двома методами з величини швидкості деформації, не перевищила 5%.

Експериментальні дані по лініях току, отримані оперативним методом, були застосовані для «настройки» МКЕ-розрахунків процесу ГЕ. При цьому був отриманий більш коректний опис деформованого стану при ГЕ.

Розділ 4. Формування структури і властивостей металів при гвинтовій екструзії

Для застосування моделі процесів фрагментації і руйнування матеріалів при ІПД до розрахунку процесу ГЕ, було враховано зміну НДС матеріальних точок заготовки при їх русі уздовж ліній току. Характер цієї зміни визначався методом оперативного аналізу.

Напружений стан металу при ГЕ визначався на основі знайденого поля швидкостей деформацій подібно до того, як це робиться за методом візіопластичності.

Показано, що при просуванні матеріалу, що деформується, гвинтовим каналом, тиск від активних ділянок та периферії поступово проникає до центральної області заготовки і розподіляється за перерізом більш рівномірно, проте положення максимумів зберігається.

Розроблені методики визначення напруженого та деформованого стану при ГЕ дозволили сформувати відповідну проектну операцію 3S «Визначення напружено-деформованого стану заготовки». Об'єкти, значення яких є необхідними для даної операції - геометричні параметри гвинтової матриці, включаючи форму профілю і висоту гвинтової ділянки, кут скату гвинтової лінії уздовж всього каналу матриці, а також границя плинності матеріалу і величина протитиску. Методом визначення є оперативний аналіз і розрахункові співвідношення, що в ньому містяться.

Повна система скінчено-різницевих рівнянь, що дозволяє визначати характеристики структури матеріалу (середній розмір зерна і відносну пористість ) в процесі ГЕ при заданих функціях деформацій і гідростатичного тиску, має наступний вигляд:

(3)

проектування процес гвинтовий екструзія

де , - допоміжні величини; - - параметри моделі, значення яких визначені в роботі (зокрема гідростатичний тиск входить у вираз для ); - співмножник, що враховує частку фрагментів, які не схильні діленню, тобто розмір яких досяг ; - сумарна площа границь зерен до деформування; - об'єм однієї мікропори. Риска над змінними означає, що величини представлені у безрозмірному вигляді.

На основі розробленої моделі показано, що при ГЕ існують різні маршрути деформації, які приводять до різних структур і властивостей матеріалів. Встановлено наступне: застосування переміжних гвинтових матриць різнойменної орієнтації {(Л^), (П^), (Л^), (П^), ...}, надає позитивний вплив на міцностні властивості матеріалу, але негативно позначається на пластичності. При використанні гвинтових матриць однойменної орієнтації, рекомендується періодична зміна напряму подачі заготовки в канал матриці для вирівнювання структури і властивостей за перерізу заготовки {(Л^), (Лv), (Л^), (Лv), …}. Аналіз впливу протитиску показав, що його підвищення дозволяє поліпшити міцностні характеристики матеріалу, відновити пластичні властивості, а також скоротити кількість проходів ГЕ, потрібних для досягнення заданої міцності. Проте збільшення протитиску супроводжується підвищенням силового навантаження на інструмент, тому його конкретна величина визначається на основі багатокритеріальної оптимізації в діалоговому режимі проектування.

Проведений із застосуванням моделі аналіз дозволив сформувати проектну операцію DR «Визначення режиму деформації», яка спирається на дані, отримані в наслідку роботи всіх попередніх операцій. Методом визначення даного об'єкту є розрахунок в діалоговому режимі за допомогою математичної моделі формування структури і властивостей металів при ГЕ. При цьому задається режим деформації та перевіряється, чи задовольняє отриманий прогноз вимогам технічного завдання з характеристик структури і механічних властивостей. Якщо ні, то згідно рекомендаціям, необхідно змінити параметри режиму деформації і повторити розрахунок до тих пір, поки вимоги не будуть максимально наближені.

Показано якісну і кількісну відповідність прогнозу за моделлю експерименту, зокрема, погрішність у визначенні напруги плину для міді, не перевищує 14%. Знайшли своє експериментальне підтвердження й інші теоретичні уявлення і гіпотези. Зокрема, після двох проходів ГЕ спостерігається помітне збільшення міцностних властивостей матеріалу в двох кутах перерізу заготовки, які відповідають активним ділянкам поверхні матриці. Справедливість прогнозованого підвищення пластичних властивостей матеріалу в наслідку його деформаційної обробки методом ГЕ, підтверджується результатами випробувань з показника відносного звуження в шийці при розриві, отриманими на серії зразків титану ВТ1-0.

У розробленій моделі введено параметр акомодації структурних елементів при пластичній деформації, який характеризує інтенсивність виникнення пошкоджень структури деформовуваного матеріалу, і, отже, зміну його пластичних властивостей.

Розділ 5. Об'єктно-орієнтоване проектування процесу гвинтової екструзії

З використанням розроблених в дисертації методів розрахунку і проектування був проведений аналіз геометрії гвинтових матриць для п'яти різних профілів перерізу, і на його основі сформовані рекомендації. Встановлено, що для формування в матеріалі СМК структур найбільш переважні характеристики має профіль перерізу у вигляді прямокутника з округленими кутами. Показано, що раціональне співвідношення між більшою та меншою сторонами профілю складає 1.5 - 1.6.

На основі розрахунків в межах розробленої моделі процесів формування структури і властивостей при ГЕ, обґрунтована доцільність введення цього процесу до технологічної схеми обробки титану ВТ1-0 для підготовки СМК структури, що успадковуватиметься при подальших технологічних операціях, зокрема гідроекструзії (ГдЕ). Це дозволить виключити або звести до мінімуму кількість проміжних пластифікуючих відпалів в процесі вироблення з таких заготовок титанового дроту.

Розроблена проектна операція DH була застосована для оцінки необхідної висоти матриць вказаних розмірів. Згідно виконаному розрахунку, для якісного пророблювання структури вторинного алюмінію АК9 із використанням матриць профілем 50х80мм та кутом =60, необхідна висота гвинтового каналу складає 31мм. Звідси витікає, що довжина існуючих матриць може бути зменшена на 22.5% при збереженні якості продукції. Таким чином можуть бути знижені витрати дорогої інструментальної сталі, використовуваної для виробництва гвинтових матриць, та підвищена їх стійкість. Дані рекомендації з проектування і програмні засоби для розрахунку висоти гвинтових матриць передані на ДП «Техноскрап» ТОВ «Скрап». Ці розробки дозволять проектувати матриці з низькою матеріаломісткістю та підвищеною стійкістю. Очікуваний річний економічний ефект складає 39 833 грн/рік.

Сформульовані в попередніх розділах рекомендації і розроблені методи розрахунку дозволили визначити для процесу ГЕ мінімальний набір з чотирьох проектних операцій. На їх основі розроблено проектний ланцюжок, представлений у вигляді блок-схеми, що дозволяє удосконалити технологію обробки металів і сплавів даним методом.

Висновки

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії на основі дослідження напружено-деформованого стану заготовки та розвитку моделі процесів формування структури та властивостей металів при зазначеній обробці.

Основні наукові положення і практичні результати роботи полягають у наступному.

1. Виконано аналіз сучасного етапу розвитку процесів ІПД. Встановлено, що в даний час по всьому світі ці процеси знаходяться на етапі лабораторних досліджень і дослідних розробок, що стримує промислове впровадження отримуваних СМК матеріалів , незважаючи на різноманіття їх потенційних ринків. ГЕ займає міцні позиції серед основних методів ІПД. Для її розвитку необхідно вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу. Актуальними є задачі оперативного аналізу деформованого і напруженого стану заготовки; дослідження впливу геометричних параметрів інструменту на розподіл потоків деформованого матеріалу; прогнозування характеристик структури матеріалу і його механічних властивостей; вдосконалення методів проектування процесу ГЕ.

2. Отримали подальший розвиток уявлення про структуру осередку деформації при ГЕ: виявлені активні ділянки поверхні контакту заготовки з матрицею, які характеризуються найбільш високим контактним тиском і створюють обертальний момент, що деформує заготовку. Відносна площа і розподіл активних ділянок за периметром каналу матриці чинять істотний вплив на плин металу при ГЕ. Зокрема, їх більш рівномірний розподіл призводить до зниження контактного тиску та інтенсифікації зсувів на початку і кінці геометричного осередку деформації, а нерівномірний - підвищує контактний тиск та інтенсифікує перетікання металу в межах осередку. На цій основі розроблена проектна операція CS «Визначення форми профілю гвинтового каналу».

3. Отримане рівняння, розв'язання якого є необхідна висота гвинтової ділянки каналу матриці. Воно базується на припущенні, що весь переріз заготовки переходить до пластичного стану, коли обертаючий момент досягає свого критичного значення. Матриці з недостатньо високою гвинтовою ділянкою приводять до слабкого пророблювання структури, а матриці з надмірно великою гвинтовою ділянкою - до завищених значень тиску екструзії за рахунок збільшеної поверхні тертя, що знижує стійкість інструменту. Цей результат був покладений в основу проектної операції DH «Визначення висоти гвинтового каналу». Розрахунок показав, що висота гвинтової ділянки, яку до теперішнього моменту мали матриці, є завищеною на 23.5% і може бути зменшена.

4. Вперше показано, що виявлене раніше експериментально перетікання металу в межах поперечного перерізу заготовки при ГЕ, з достатньо високим ступенем точності описується перетворенням простого зсуву, сумісного з одночасним поворотом, пропорційним куту зсуву. Виявлена закономірність дозволила удосконалити експериментально-розрахунковий метод дослідження плину металу при ГЕ, внаслідок чого він став придатним при проектуванні цього процесу. Запропонований метод оперативного аналізу був протестований шляхом обробки результатів одного і того ж експерименту з виявлення ліній току при ГЕ. Розбіжність результатів, отриманих двома методами, щодо величини швидкості деформації, не перевищила 5%.

5. Дослідження щодо впливу профілю перерізу гвинтової матриці на пластичний плин металу, виконані за допомогою метода оперативного аналізу, підтвердили прогнозоване теоретично припущення про підвищене перетікання матеріалу у разі профілю, що використовується в даний час, у порівнянні з прямокутним профілем перерізу. Аналіз кривих зміни еквівалентної деформації уздовж ліній току виявив відмітний характер накопичення деформації для різних областей перерізу. Експериментальні і розрахункові дані з ліній току, отримані оперативним методом, застосовані для «настройки» кінцево-елементних розрахунків ГЕ з використанням програмного комплексу LS-DYNA. Застосування уточненого МКЕ-пакету дозволяє отримувати більш коректний опис ГЕ, у порівнянні із стандартними пакетами.

6. Розроблено і застосовано методику розрахунку напруженого стану матеріалу при ГЕ за деформованим станом, визначеним за допомогою методу оперативного аналізу. Показано, що найбільш високий гідростатичний тиск спостерігається поблизу активних ділянок матриці. При просуванні заготовки углиб каналу, тиск розподіляється за перерізом більш рівномірно, проте положення максимумів зберігається. Розроблені методики визначення напруженого і деформованого стану при ГЕ дозволили сформувати відповідну проектну операцію 3S «Визначення напружено-деформованого стану заготовки».

7. Отримала подальший розвиток математична модель процесів фрагментації і руйнування металів при ІПД шляхом урахування того факту, що НДС матеріальних часток змінюється при їх русі уздовж ліній току. Модель дозволила встановити залежність структурних і механічних характеристик металу від параметрів ГЕ. Показано якісну і кількісну відповідність прогнозу за моделлю даним експерименту, зокрема, погрішність у визначенні напруги плину для міді М1 не перевищує 14%. Прогнозоване підвищення пластичних характеристик титану, починаючи з 2 проходу ГЕ, узгоджується з експериментальними результатами з показника (відносне звуження в шийці при розриві). Розроблені модельні уявлення дозволили сформувати проектну операцію DR «Визначення режиму деформації», яка спирається на дані, отримані в наслідок роботи всіх попередніх проектних операцій.

8. Результати моделювання показали, що при ГЕ можуть бути реалізовані різні маршрути, які відрізняються впливом на структуру і властивості металів. Теоретично показано, що застосування переміжних гвинтових матриць різнойменної орієнтації знижує розмір фрагментів і підвищує міцностні характеристики металів у порівнянні з маршрутом ГЕ через матриці однойменної орієнтації, при одному і тому ж сумарному числі проходів. В рамках моделі це пояснюється збільшенням амплітуди простого зсуву в поперечній площині при ГЕ. Даний висновок підтверджений в експерименті, зокрема, застосування маршруту з переміжними різнойменними матрицями, при загальному числі проходів ГЕ рівному 6, дозволяє знизити середній розмір фрагментів сплаву Al-3Mg-0.3Sc-0.10Zn з 0,46мкм до 0,33мкм і підвищити його границю плинності з 308МПа до 324МПа. Для сплаву ВТ1-0 границя плинності збільшується з 600МПа до 680МПа. При використанні гвинтових матриць однойменної орієнтації, рекомендується періодична зміна напряму подачі заготовки в канал матриці для вирівнювання структури і властивостей заготовки за перерізом.

9. Проведення ГЕ з протитиском дозволяє підвищити міцностні характеристики матеріалу й відновити його пластичні властивості (наприклад, згідно розрахункам, для міді М1 підвищення протитиску до величини порядку приводить до збільшення до 10% одночасно зі зниженням на 83%). Проте, збільшення протитиску супроводжується зростанням силового навантаження на інструмент, тому його конкретна величина визначається на основі багатокритеріальної оптимізації в діалоговому режимі проектування.

10. Зіставлення п'яти можливих профілів перерізу гвинтового каналу матриці показало, що для формування в матеріалі СМК структур найбільш переважні характеристики має профіль перерізу каналу №5 у вигляді прямокутника з округленими кутами. За відсутності виражених концентраторів напруги йому відповідає мінімальна висота гвинтового каналу (8мм), якнайкраще розкриття поверхні заготовки (= 20.3%) і значна частка площі активних областей поверхні матриці (= 0.48). Цей результат дозволив уточнити проектну операцію CS. Встановлено, що найбільш переважне співвідношення між більшою та меншою сторонами профілю складає: 1.5 - 1.6.

11. Згідно проведеному розрахунку для гвинтових матриць з поперечними розмірами 50х80мм, які застосовуються при пластифікуючій обробці вторинних алюмінієвих сплавів, висота гвинтової ділянки може бути зменшена на 22.5%, при збереженні якості продукції. Це дозволить понизити витрати на виробництво матриць, як завдяки зниженню їх собівартості, так і за рахунок підвищення стійкості. Рекомендації з проектування та програмні засоби для розрахунку висоти гвинтових матриць передані на ДП «Техноскрап» ТОВ «Скрап». Очікуваний річний економічний ефект складає 39 833 грн/рік.

12. На основі розрахунків обґрунтована доцільність введення процесу ГЕ до технологічної схеми обробки титану ВТ1-0 для підготовки дрібнозернистої структури (500мкм) з малою пошкодженістю ( < 1,5·10-3), яка успадковуватиметься при подальших технологічних операціях. Це дозволило мінімізувати кількість відпалів та отримати кінцевий продукт - СМК титановий дріт з підвищеними (на 23%) міцностними характеристиками у порівнянні з аналогами, виробленими за традиційною технологією.

13. Отримав подальший розвиток метод проектування процесу ГЕ шляхом застосування об'єктно-орієнтованого підходу. Вдосконалений метод проектування і розроблені проектні операції дозволяють ефективним чином врахувати всі отримані в роботі результати при створенні конкретних технологій ГЕ.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Прокофьева О.В. Определение высоты канала матрицы для винтовой экструзии / О.В. Прокофьева // Физика и техника высоких давлений. - 2007. - Т.17, №3. - С.147-152.

2. Прокофьева О.В. Анализ деформированного состояния металла при винтовой экструзии: сопоставление результатов, полученных разными методами / О.В. Прокофьева, Я.Е. Бейгельзимер, Р.Ю. Кулагин // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДГМА. - 2007. - С. 5-9.

3. Бейгельзимер Я.Е. Экспериментальное подтверждение ряда эффектов винтовой экструзии, предварительно спрогнозированных теоретически / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Прокофьева, А.В. Решетов, С.Г. Сынков // Металл и литьё Украины. - 2006. - №3-4. - С. 48-51.

4. Сынков С.Г. Анализ технологических схем и конструкций инструмента для винтовой экструзии / С.Г. Сынков, Я.Е. Бейгельзимер, А.В. Решетов, Д.В. Орлов, А.С. Сынков, О.В. Прокофьева // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2006. - №3/1 (21). - С. 21-24.

5. Бейгельзимер Я.Е. Изменение структуры металлов в процессах прямой и винтовой экструзии: математическое моделирование / Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Прокофьева, В.Н. Варюхин // Металлы. - 2006. - №1. - С. 30-38.

6. Beygelzimer Y. Hardening Viscous Failure and Strain Localization during Severe Plastic Deformation / Y. Beygelzimer, O. Prokof'eva, B. Efros, V. Varyukhin // Materials Science Forum. - 2006. - V. 503-504. - P. 551-556.

7. Прокофьева О.В. Управление структурой и свойствами материалов при винтовой экструзии - теоретические аспекты / О.В. Прокофьева, Я.Е. Бейгельзимер // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДГМА. - 2006. - C.42-46.

8. Прокофьева О.В. Влияние профиля сечения матрицы на параметры винтовой экструзии / О.В. Прокофьева, Я.Е. Бейгельзимер // Физика и техника высоких давлений. - 2005. - Т.15, №4. - C. 65-71.

9. Прокофьева О.В. Оценка величины давления металла на стенки матрицы при винтовой экструзии / О.В. Прокофьева, Я.Е. Бейгельзимер // Вісник ДДМА. - 2005. - №1. - С.57-61.

10. Бейгельзимер Я.Е. Фрагментация структуры и разрушение металлических материалов при больших пластических деформациях: предпосылки к моделированию / Я.Е. Бейгельзимер, Б.М. Эфрос, О.В. Прокофьева // Физика и техника высоких давлений. - 2004. - Т.14, №3. - С. 58-73.

Анотація

Прокоф'єва О.В. Вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2008.

Розв'язана актуальна науково-технічна задача вдосконалення методів розрахунку і проектування процесу гвинтової екструзії (ГЕ) на основі дослідження напружено-деформованого стану заготовки і розвитку моделі процесів формування структури та властивостей металів при зазначеній обробці.

При ГЕ виявлені активні ділянки поверхні контакту заготовки з матрицею. Показано, що перетікання металу в межах поперечного перерізу заготовки може бути описане перетворенням простого зсуву із одночасним поворотом, пропорційним куту зсуву. На цій основі вдосконалено експериментально-розрахунковий метод, завдяки чому він став придатним при проектуванні ГЕ. Розвинуто модель процесів формування структури і властивостей матеріалу при ГЕ. Вдосконалено метод проектування процесу шляхом застосування об'єктно-орієнтованого підходу та розроблено 4 проектні операції.

Результати роботи використано при розробці технологічної схеми виготовлення титанового дроту із застосуванням ГЕ, та для обґрунтування зменшення висоти гвинтової ділянки матриць для обробки вторинних алюмінієвих сплавів.

Ключові слова: інтенсивні пластичні деформації, гвинтова екструзія, напружено-деформований стан, механічні характеристики, субмікрокристалічна структура, проектування.

Аннотация

Прокофьева О.В. Совершенствование методов расчёта и проектирования процесса винтовой экструзии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением.- Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2008.

Решена актуальная научно-техническая задача совершенствования методов расчёта и проектирования процесса винтовой экструзии (ВЭ) на основе исследования напряженно-деформированного состояния заготовки и развития модели процессов формирования структуры и свойств металлов при данной обработке.

Получили дальнейшее развитие представления о структуре очага деформации при ВЭ: выявлены активные участки поверхности контакта заготовки с матрицей, которые характеризуются наиболее высоким контактным давлением и создают вращающий момент, деформирующий заготовку. Показано, что относительная площадь и распределение активных участков по периметру канала матрицы оказывают существенное влияние на течение металла при ВЭ. Получено уравнение, решением которого является необходимая высота винтового участка канала матрицы. Оно базируется на допущении о том, что всё сечение заготовки переходит в пластическое состояние, когда вращающий момент достигает своего критического значения. На основе расчётов обоснована возможность снижения высоты винтовых матриц, используемых в настоящее время в лаборатории ДонФТИ НАНУ.

Показано, что обнаруженное ранее экспериментально перетекание металла в пределах поперечного сечения заготовки при ВЭ, с достаточно высокой степенью точности описывается преобразованием простого сдвига, совмещенного с одновременным поворотом, пропорциональным углу сдвига. Выявленная закономерность позволила предложить и реализовать метод оперативного анализа напряженно-деформированного состояния заготовки, который включен в процесс проектирования ВЭ.

Получила дальнейшее развитие математическая модель процессов фрагментации и разрушения металлов при интенсивных пластических деформациях путём учета того факта, что напряженно-деформированное состояние материальных частиц изменяется при их движении вдоль линий тока. Модель позволила установить зависимость структурных и механических характеристик металла от параметров ВЭ. Показано качественное и количественное соответствие прогноза по модели эксперименту, в частности, погрешность в определении напряжения течения для меди М1 не превышает 14%. На основе разработанной модели выявлены основные маршруты ВЭ. Теоретически показано, что применение чередующихся винтовых матриц разноимённой ориентации снижает размер фрагментов и повышает прочностные характеристики металлов, по сравнению с маршрутом ВЭ через матрицы одноименной ориентации, при одном и том же суммарном числе проходов. Данный вывод подтвержден в эксперименте. Реализация ВЭ с противодавлением позволяет повысить прочностные характеристики металла ( до 10%, согласно расчётам) и восстановить его пластические свойства (снижение расчётного на 83%).

Получил дальнейшее развитие метод проектирования процесса ВЭ путем применения объектно-ориентированного подхода. Суть подхода в том, что каждому параметру процесса (объекту) ставится в соответствие своя проектная операция, которая определяет значения его составляющих. Информационное взаимодействие проектных операций осуществляется по принципу «классной доски», на которой параллельно выполняемые процессы находят необходимую информацию, и куда поступают данные их работы, используемые в дальнейшем другими процессами. На основе проведенных в работе исследований разработаны следующие проектные операции: определение формы профиля матрицы, определение высоты винтового канала, определение напряженно-деформированного состояния заготовки, определение режима деформирования. Данный метод проектирования и разработанные проектные операции позволяют эффективным образом учесть все полученные в работе результаты при создании конкретных технологий ВЭ.

Усовершенствованные в работе методы расчёта и проектирования применены для решения ряда практических задач. В частности, обоснована целесообразность введения процесса ВЭ в технологическую цепочку обработки титана ВТ1-0 для подготовки мелкозернистой структуры, которая наследуется при последующих технологических операциях. Это позволило минимизировать количество отжигов и получить конечный продукт - проволоку с повышенными (на 23%) прочностными характеристиками по сравнению с аналогами, произведенными по традиционной технологии.

Согласно проведенному расчёту для винтовых матриц, которые применяются при пластифицирующей обработке вторичных алюминиевых сплавов, высота винтового участка может быть уменьшена на 22.5%, при сохранении качества продукции. Рекомендации по проектированию и программные средства для расчёта винтовых матриц переданы на ДП «Техноскрап» ООО «Скрап». Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 39 833 грн/год.

Ключевые слова: интенсивные пластические деформации, винтовая экструзия, напряженно-деформированное состояние, механические характеристики, субмикрокристаллическая структура, проектирование.

Abstract

O. prokof'yeva. Perfection of the calculation and design methods for twist extrusion process. - Manuscript.

Thesis for competition on a candidate degree in material science and engineering on the speciality 05.03.05 - Processes and tools for metal forming. - State institution of higher education «Donetsk National Technical University», Donetsk, 2008.

The actual scientific and technical problem of the calculation and design methods perfection for twist extrusion (TE) was solved on the basis of the stress-strain state research and the metal structure and properties formation model development.

The active areas of a die contact surface with a billet were revealed. It was shown that metal flow within the limits of a billet cross-section can be described by simple shear conversion combined with simultaneous rotation, proportional to the shear corner. On this basis the experimentally-calculation method was perfected and became suitable for the TE design. The model of materials structure and properties formation under TE was developed. The method of design process was perfected by application of the object-oriented approach, and 4 design operations were developed.

The results of the thesis were used for development of the technological chain for titanium wire production with TE application and for validation of dies twist channel height reduction for secondary aluminium alloys treatment.

Key words: intensive plastic deformation, twist extrusion, stress-strain state, mechanical characteristics, submicrocrystalline structure, design.

Размещено на Allbest.ru

...