Совершенствование и оптимизация технологии производства длинномерных композиционных сверхпроводящих материалов для магнитных систем (научный обзор)

23. Теория обработки металлов давлением. Учебник для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» / В.А. Го-ленков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Кухарь // под редакцией В.А. Голен-кова, С.П. Яковлева. М.: Изд-во «Машиностроение», 2009. 442 с.

24. Теория обработки металлов давлением: 3-е издание / В.А. Голенков, С.П. Яковлев, С.А. Головин, С.С. Яковлев, В.Д. Кухарь. М.: Машиностроение, 2013. 442 с.

25. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4. Листовая штамповка / Под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.

УДК 621.774.37:539.319

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДЛИННОМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ

Колмогоров Г.Л., Чернова Т.В.

ФГБУО ВП «Пермский национальный исследовательский университет», г. Пермь, Россия

Современный интерес к сверхпроводниковым материалам основан на стремительно развивающихся технологических возможностях совершенствования структуры композитов и адаптации их свойств к требованиям технических применений. Актуальной проблемой мировой практики является разработка крупномасштабных магнитных систем. В рамках проекта ITER (Международного термоядерного экспериментального реактора) - создается уникальное поле для исследований характеристик системы сверхпроводящих магнитов первого энергетического термоядерного реактора. Совершенствование производства позволит РФ выполнить обязательства в рамках работ по созданию международного термоядерного реактора ITER с участием России, США, Японии и ряда стран ЕС, а также выйти на новый рынок высокотехнологичных изделий.

Из множества низкотемпературных сверхпроводниковых (НТСП)-сплавов и соединений в процессе 40-летних исследований определились два лидера - обладающий достаточно высокой прочностью сплав Nb-Ti и интерметаллическое соединение Nb3Sn, удовлетворяющие основным запросам электроэнергетики и электрофизики. Именно Nb-Ti и Nb3Sn при рабочих температурах от 1.8 до 8 °К перекрывают представляющий практический интерес интервал рабочих магнитных полей и плотностей тока в электротехнических и электрофизических устройствах.

В настоящее время в ОАО "Чепецкий механический завод" (г. Глазов, Удмуртия) организовано промышленное производство низкотемпературных сверхпроводников для магнитной системы Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER) [1]. На стадии освоения производства на кафедре Динамики и прочности машин были выполнены предварительные расчеты технологии.

Следует отметить, что используемая в настоящее время технология производства сверхпроводников не является оптимальной, поэтому основной упор авторов данной статьи сделан на оптимизацию процесса производства.

Основными проблемами при промышленном производстве сверхпроводниковых изделий являются их разрушение в процессе производства, энергозатраты и стойкость технологического инструмента при многократном пластическом деформировании (волочением), являющемся ключевым этапом технологического цикла и определяющим качество производимых низкотемпературных сверхпроводниковых изделий.

Анализ современного состояния проблем и технологии производства показывает, что в настоящее время отсутствуют систематические исследования многократного пластического деформирования материалов сложной внутренней структурой, типа сверхпроводников, применительно к проектированию и оптимизации их производства.

Поэтому актуальными задачами является разработка научно обоснованных методик проектирования и оптимизации технологических процессов производства сверхпроводников. Решение поставленных задач позволит совершенствовать и оптимизировать производство высококачественных композиционных сверхпроводников в промышленных масштабах.

При проведении исследований в области производства сверхпроводников кафедра Динамики и прочности машин Пермского национального исследовательского политехнического университета сотрудничает с Магнитогорским государственным техническим университетом им. Г.И. Носова (г. Магнитогорск), Южно-Уральским государственным университетом (г. Челябинск), Уральским федеральным университетом имени первого президента России Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург), Ижевским государственным техническим университетом им. Калашникова (г. Ижевск), техническим университетом Лилль 2 (Франция).

Технические сверхпроводящие кабели представляют собой сложные композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (до долей микрона) волокнами собственно сверхпроводникового материала (рис. 1).

Как следует из рис. 1, композиционные сверхпроводники представляют собой транс-версально-изотропную конструкцию, содержащую сверхпроводниковые волокна, распределенные в матрице из высокочистой меди или резистивного сплава на основе меди.

Рис. 1. Некоторые конструкции сверхпроводников

Технологический процесс производства низкотемпературных сверхпроводников представляет собой область технологической металлургии, включающей многостадийный процесс пластического деформирования прессованием и последующего многократного деформирования в коническом волочильном инструменте (рис. 2).

В основе технологии производства сверхпроводников лежит пластическая деформация прессованием и многократным волочением. Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через конический волочильный инструмент, общее количество переходов при производстве сверхпроводников составляет несколько десятков. Передний конец протягиваемой заготовки находится в условиях одноосного растяжения, при этом возникает опасность его разрушения при превышении предельных обжатий. Величина обжатия за проход волочения определяет, в свою очередь, общее количество проходов в процессе изготовления сверхпроводника.

Подготовкам обработка бысоюочистън материалов

даЬД^РГЬЛцСи)

Формирований биметаллической заготовки

Вакуумированиг и заварка перидгрннньк швов сборки

Экструзия

1

Волочение с промежуточными тернооЗраЗоткамн

Изготовление шестигранных прутков

олноволононнын модуль

Химическое травление ~~^ элементов композиционной сборки

Формирование крмиозициошои заготовки

Вакуумированиг и заварка пгрнффинкьЕ швов сборки

Экструзия 1

Волочение с промежуточными термооЗраЗотками

Изготовленве шестигранных

ПрУТКОВ

Химическое травлгниг * элементов композиционной сборки

Формирование композиционной заготовки

I

Вакуумированиг и заварка пернфгрннных швовсборки

Экструзия

Волочение с промежуточными термооЗраЗоткамн

I

Твистирование

Калибровка провода до требуемого размера

Заключнтгльная тфмообработка

Рис. 2. Этапы производства композиционных проводников

Одной из величин, характеризующих меру пластической деформации при волочении, принято считать коэффициент вытяжки, определяемый по формуле

А =

где - начальная (исходная) площадь сечения заготовки; ^ - площадь сечения после прохода.

При многократном волочении определяется суммарная вытяжка

г к

где Гк - конечная площадь сечения протягиваемого изделия, которая равна произведению разовых вытяжек по переходам маршрута многократного волочения

А2=А1А2А3п •

При одинакового значениях разового вытяжек А имеем

где п - количество переходов маршрутов многократного волочения.

Из соотношения (4) определяется количество переходов многократного волочения при изготовлении изделия с конечной площадью сечения ^ из заготовки с площадью сечения

К

п =

1п А

Из соотношения (5) следует, что с увеличением разовой вытяжки количество переходов уменьшается, процесс является более технологичным и экономичным.

Другим важным показателем процесса волочения является напряжение волочения, определяющее параметры процесса волочения

Р

а =

вол Т-^

К

где Р - приложенное к переднему концу заготовки усилие волочения.

При деформации в конических инструментах существует зона оптимальных углов, в пределах которой усилие волочения при прочих равных условиях имеет минимальное значение. При малых углах рабочего конуса происходит увеличение контактной поверхности и, следовательно, сил трения. С увеличением угла рабочего конуса контактная поверхность уменьшается, уменьшается сила трения и падает общее давление металла на волоку. Однако с повышением угла Св возрастает неравномерность деформации, степень деформации и

ухудшаются условия смазки - все это ведет к повышению усилия волочения. Таким образом, в результате сложного взаимодействия перечисленных факторов образуется оптимальный угол или зона оптимальных углов.

Достижение минимального значения &вол является основной задачей при проектировании оптимальных маршрутов волочения. Обеспечение минимальных значений напряжения волочения позволяет обеспечить минимальный расход энергии при волочении, увеличить единичные обжатия (вытяжку) за счет снижения вероятности обрыва переднего конца заготовки и повысить стойкость технологического инструмента.

При волочении наряду с деформацией, связанной с изменением площади поперечного сечения, заготовка подвергается дополнительным сдвиговым деформациям на входе в волочильный инструмент и выходе из него (рис. 3).

Рис. 3. Схема волочения сверхпроводниковой заготовки: 1 - волока, 2 - оболочка, 3 - сердечник

В монографии [3] предложена формула для определения средней по сечению степени деформации при пластической деформации осесимметричных изделий, учитывающая дополнительные сдвиговые деформации в волочильном инструменте

= 21п — + —¡= tgав,

СР

^ эТэ

где ав - угол наклона образующей инструмента к оси волочения.

Степень деформации определяется как 1пЯ, дополненная вторым слагаемым соотношения (7). С увеличением угла конусности волочильного инструмента степень деформации растет.

Прочность переднего конца заготовки зависит от напряжения волочения. В настоящее время из существующих формул для определения напряжения волочения заготовок круглого сечения наиболее известной для применения является формула И.Л. Перлина

= 21п ^ к + !сШап (С + сч

где с* - среднее по очагу деформации сопротивление деформации протягиваемой заготовки; / - коэффициент внешнего трения; ап - приведенный угол волоки; ст - напряжение противонатяжения.

С учетом дополнительных сдвиговых деформаций на входе в конический инструмент и выходе из него предложена модифицированная формула для определения напряжения волочения в следующем виде

С 4 '

" " ' Ч )]+с,.

Свол =

1пЯ + 3^+ (а° +Сч)] + с?.

При этом И.Л. Перлин предлагает принимать tgап = 0,65tgав.

Геометрия волочильного инструмента, как правило, стандартизирована. Учет дополнительных сдвиговых деформаций позволяет определить оптимальную вытяжку для заданной (стандартной) геометрии волочильного инструмента, обеспечивающих минимальные значения напряжения волочения.

Учет дополнительных сдвиговых деформаций позволяет определить оптимальные углы конусности волочильного технологического инструмента из условий минимума напряжения волочения.

Оптимальные значения угла конусности определяются из условия

с

= 0.

Продифференцировав выражение (9), с учетом преобразований, получим

tgав = 1,414 / 1п Я

и соответственно

С

V

с,

*

а°пт = ат^

1,414.

Г 1п Я

' с л 1--4

V

с

* У

При отсутствии противонатяжения (с = 0 ), что характерно для большинства случаев, соотношение (12) принимает вид

а°пт = ат^\414^п1.

Данный подход определения оптимальной геометрии технологического инструмента при пластическом деформировании использован для определения напряжения волочения монометаллической, биметаллической и триметаллической заготовок в форме проволоки и прутков. Подобный подход использован и для процесса прессования, предшествующего волочению. На выполненные решения получен ряд патентов (см. список патентов).

Заключение

Созданы технологические основы производства низкотемпературных трансверсально-изотропных нанокомпозитных сверхпроводников для международного термоядерного экспериментального реактора.

Предложены теоретические зависимости для определения энергосиловых параметров процессов прессования и волочения применительно к особенностям конструкций низкотемпературных сверхпроводников.

Выполнена оптимизация геометрии технологического инструмента для производства моно-, би-, триметаллических конструкций сверхпроводников.

Список литературы

1. Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России / А.К. Шиков, А.Д. Никулин, А.Г. Силаев и др. // Известия вузов. Цветная металлургия. 2003. № 1. С. 36-43.

2. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1972. 176 с.

3. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. О степени деформации при осесимметричном деформировании // Известия вузов. Черная металлургия. 2000. № 11. С. 31-34.

4. Механика пластического деформирования трансверсально-изотропных композиционных сверхпроводниковых материалов / Г.Л. Колмогоров, В.Н. Трофимов, М.Г. Штуца, Т.В. Чернова. Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-т, 2011. 217 с.

5. Колмогоров В.Л., Орлов С.И., Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая подача смазки. М.: Металлургия, 1975. 256 с.

6. Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1986. 168 с.

7. Гидропрессование труднодеформируемых тугоплавких металлов и сплавов / Г.Л. Колмогоров, В.Г. Михайлов, Ю.А. Барков, В.Л. Карлинский. М.: Металлургия, 1991. 142с.

8. Колмогоров Г.Л., Орлов С.И., Шевляков В.Ю. Инструмент для волочения. М.: Металлургия, 1992. 144 с.

9. Критерии прочности и расчет механической надежности конструкций / В.И. Аликин, П.В. Анохин, Г.Л. Колмогоров, И.Е. Литвин. Пермь: ПГТУ, 1999. 158 с.

10. Колмогорова Г.Л., Лежнева А.А. Оптимальное проектирование конструкций. Пермь: Изд-во перм. гос. техн.ун-та, 2009. 168 с.

11. Патент № 2101108 РФ. Способ волочения изделий (варианты) / Колмогоров Г.Л., Коноплев В.Н., Мельникова Т.Е., Иванов В.А., Каменев С.А., Шпаковский Л.Н., Федотов Н А., Зуев А. Опубл. 10.01.88.

12. Патент № 2126731 РФ. Способ волочения изделий/ Колмогоров Г.Л., Мельникова Т.Е., Курапова Н.А., Дудина Н.М., Иванов В.А., Федотов Н А. Опубл. 27.02.99.

13. Патент № 2128329. РФ. Способ определение показателя деформативности материала / Колмогоров Г.Л., Мельникова Т.Е., Курапова Н.А. Опубл. 27.03.99.

14. Патент № 2310533 РФ. Способ волочения изделий / Колмогоров Г.Л., Мельникова Т.Е., Латышева Т.В. Опубл. 20.11.2007.

15. Патент № 2415390 РФ. Способ определения остаточных напряжений в прутковых и проволочных изделия / Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. Опубл. 27.03.2011.

16. Патент № 2404873 РФ. Способ волочения прутковых и проволочных изделий Колмогоров Г.Л., Чернова Т.В. Опубл. 27.11.2010.

17. Патент № 2432220 РФ. Способ производства биметаллических прутковых и проволочных изделий / Г.Л. Колмогоров, Е.К. Кобелева, Ю.А. Власова, Т.В. Чернова. Опубл. 27.10.2011.

18. Патент № 2480301 РФ. Способ волочения биметаллических прутковых и проволочных изделий / Г.Л. Колмогоров, Т.В. Чернова, Ю.А. Власова, М.В. Снигирева. Опубл. 27.04.2013.

19. Патент № 2492011 РФ. Способ производства триметаллических прутковых и проволочных изделий / Колмогоров Г.Л., Чернова Т.В., Кобелева Е.К. Опубл. 10.09.2013.

20. Патент № 2526346 РФ. Способ прессования заготовок / Колмогоров Г.Л., Трофимов В Н., Чернова Т.В., Кошелева Н.А. Опубл. 20.08.2014.

21. Патент № 2528302 РФ. Способ прессования биметаллических заготовок / Колмогоров Г.Л., Кошелева Н.А., Чернова Т.В. Опубл. 10.09.2014.

22. Патент № 2536849 РФ. Способ волочения полиметаллических многослойных прутковых и проволочных изделий / Колмогоров Г.Л., Бурдина Ю.А., Чернова Т.В. Опубл. 27.12.2014.

23. Патент № 2544320 РФ. Способ прессования триметаллических заготовок/ Колмогоров Г.Л., Кошелева Н.А., Чернова Т.В. Опубл. 20.03.2015.

24. Патент № 2553747. РФ. Способ деформирования монометаллических прутковых и проволочных изделий / Колмогоров Г.Л., Чернова Т.В., Бурдина Ю.А., Снигирева М.В. Опубл. 20.06.2015.

25. Патент № 2558753. РФ. Способ производства многожильного сверхпроводящего провода на основе соединения Nb3Su / Колмогоров Г.Л., Чернова Т.В., Бурдина Ю.А., Снигирева М.В. Опубл. 10.08.2015.

26. Колмогоров Г.Л., Ковалев А.Е., Шутова Е.С. Нагнетающая способность инструмента для гидродинамического волочения при наличии проскальзывания смазки // Известия вузов. Цветная металлургия. 2003. № 4. С. 67-69.

27. Колмогоров Г.Л., Филиппов В.Б., Кузнецова Е.В. О скорости деформации при волочении // Известия вузов. Цветная металлургия. 2005. № 8. С. 17-19.

28. Колмогоров Г.Л., Филиппов В.Б., Чернова Т.В. О реализации условий улучшенного (смешанного) режима трения при волочении // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. № 2. С.20-21.

29. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. Остаточные напряжения и вторичные пластические деформации при волочении // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. № 12. С. 17-18.

30. Колмогоров Г.Л., Филиппов В.Б., Чернова Т.В. Об оптимальной геометрии волочильного инструмент // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 4. С. 41-43.

31. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В., Тиунов В.В. Остаточные напряжения и вторичные пластические деформации при производстве трубных изделий // Известия вузов. Черная металлургия. 2008. № 4. С. 30-32.