Деформирование натурных образцов из свинца и алюминия с целью экспериментального исследования способа пластического структурообразования металлов

1

Рис. 4. Общий вид экспериментальной установки для управления резонансными эффектами при обработке отверстий мерными многолезвийными инструментами

Показана связь между погрешностями обработки и конструктивно-технологическими факторами и динамическими параметрами процесса формообразования отверстия.

Разработана методика диагностики причин вибрационного характера, из-за которых возникают систематические погрешности при обработке отверстий. Предложены новые методы управления точностью расположения, размера и формы обрабатываемых отверстий путем регулирования амплитудно-фазочастотных характеристик технологических систем. В рамках этой методики разработано 6 новых способов обработки отверстий, в том числе обоснована четвертая, ранее неизвестная, схема сверления (а.с. 1710213) и 16 рациональных элементов технологической системы. Практическое применение разработок позволяет на этапах технологической подготовки и непосредственно в производственных условиях прогнозировать точность обработки систем отверстий и при необходимости корректировать условия обработки. Применение данной методики в ОАО «Завод Булат» (г. Златоуст), ОАО «Автомобильный завод "Урал"»

(г. Миасс) и на одном из предприятий п/я М-5647 г. Москвы позволило ликвидировать брак деталей по точности размера, формы и расположения отверстий.

Результаты работы были использованы в смежных областях. Так, способ возбуждения вибрации применяется в различного рода вибрационных машинах с управляемыми параметрами, а методика диагностики - в горном деле для управления трассой скважин при бурении [4].

Список литературы

1. А.с. 1220881. Способ обработки отверстий / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, Б.А. Решетников, В.В. Леванидов.

2. Сергеев С.В. Повышение эффективности вибрационных процессов при механической обработке различных материалов: монография. Челябинск: ЮУрГУ, 2004. 262 с.

3. Лакирев С.Г., Хилькевич Я.М., Сергеев С.В. Математическое моделирование динамики процессов обработки отверстий мерными инструментами и вибрационная диагностика много-и негру ментальных наладок // Совершенствование машиностроительных материалов, конструкций машин и методов об -работки деталей: тем. сб. науч. трудов. Челябинск: ЧГТУ, 1995. С. 81-161.

4. А.с. 1664412. Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления / Сергеев С.В. и др.

List of literature

1. A.s. 1220881. Way of processing of apertures / S.G. Lakirev, la.M. Khilkevich, B.A. Reshetnikov, V.V. Levanidov.

2. Sergeev S.V. Increase of efficiency of vibrating processes at machining of various materials: the monography. Cheliabinsk: the publishing SUSU, 2004. 262 p.

3. Lakirev S.G., Khilkevich la.M., Sergeev S.V. Mathematical modelling of dynamics of processes of apertures by measured tools and vibrations diagnostics multiple-tools adjustments // Perfection of machine-building materials, designs of cars and methods of processing of details. Cheliabinsk: ChSTU, 1995. P. 81-161.

4. A.s. 1664412. Way of excitation of circular fluctuations and the device for its realisation / Sergeev S.V. and others.

УДК 621.983

Семашко М.Ю., Шеркунов В.Г., Карева Н.Т., Экк Е.В.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ СВИНЦА И АЛЮМИНИЯ С ЦЕЛЬЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБА ПЛАСТИЧЕСКОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

На кафедре «Машины и технологии обработки материалов давлением» (МиТОМД) был предложен способ интенсивной пластической деформации, целью которого является изменение структуры металла, состоящий из комбинации уже известных операций свободной осадки, закрытой осадки, закрытой прошивки и обратного выдавливания [1, 2], повторяющихся циклически.

Для проведения натурного эксперимента, который является ключевым этапом в цикле научных исследований, была разработана технологическая оснастка, состоящая из основания, подвижной матрицы и пуансона (рис. 1). В качестве заготовок были выбраны свинцовые образцы и образцы из сплава АМгб размерами: высота 120 мм и 035 мм (рис. 2). Исследования осуществлялись на гидравлическом прессе в лаборатории кафедры Ми-

Рис. 1. Технологическая оснастка

ТОМД. Деформационные процессы осуществлялись в жшод-ном и горячем состояниях Замер температуры производился при помощи лазерного темпе -ратуроизмерителя. В качестве нагревательного устройства был использован ТЭН, расположенный на нижней траверсе пресса (рис 3).

Целью экспериментального исследования явилось выявление изменений в структуре материала заготовки, полученной в результате деформирования по предложенной схеме.

Для предварительной оценки работоспособности предложенного способа, а также выявления изменений в структуре металла были отлиты свинцовые заготовки, которые были подвержены 5 циклам деформирования, то есть свободная осадка, закрытая осадка, закрытая прошивка и обратное выдавливание, далее цикл повторялся пять раз. Заготовка, полученная в конце такого деформирования, представлена на рис. 4. В качестве смазки использовалэсь машинное масло. Усилия деформирования после 1-го цикла - 29 т, 2-го цикла - 46 т, 3-го цикла - 61 т, 4-го цикла - 89 т, 5-го цикла - 126 т.

Для оценки изменений в структуре образцов из центральной части заготовок были вырезаны два шлифа размерами Ь=10 мм и 035 мм (рис. 5) [3]. Образец № 1 - не деформированный, образец № 2 - после 5 полных циклов обработки. Оба шлифа были тщательно обработаны наждачной бумагой, величина абразивного зерна которой уменьшалась от самой крупной до самой мелкой. Финишная обработка шлифов производилась на сукне. Затем шлифы очищалась под проточной водой и промакивались фильтровальной бумагой.

Для подготовки зерна были выбраны 2 травителя:

1. 100 мл воды и 10 мл НМ03. Образцы выдерживались в травителе от 10 с до 25 мин. Затем промывались в проточной воде и промакивались фильтровальной бумагой. Но выделить зерна и оценить ихразме-

Рис. 3. Расположение на столе пресса

Рис. 2. Исходные заготовки: а - свинцовая; б - алюминиевая

Рис. 4. Свинцовая заготовка после 5 циклов обработки давлением

Рис. 5. Шлифы

ры не представилось возможным.

2. 100 мл глицерина, 9 мл ледяной уксусной кислоты и 9 мл ИЧ03. Образцы выдерживались в травителе в течение 10 - 15 мин. Затем промывались под струей проточной воды и промакивались папиросной бумагой. Превышение времени травления портит образцы (перетравление). Использование данного травителя дало хорошие результаты и позволило достаточно качественно оценить размеры зерна образцов. Данные замеров зерна приведены в табл. 1 и 2.

Проанализировав полученные данные, можно сделать вывод, что в среднем размер зерна уменьшился после 5 полных циклов деформирования в ~3 раза.

Следует отметить, что свинец является материалом с низкой температурой рекристаллизации и не исключено, что изученная картина может несколько отличаться от той, что имела место непосредственно после деформации.

Аналогичный опыт был проведен на широко распространенном (судостроение, строительство, ракетостроение) алюминиевом сплаве АМгб системы А1-М^-Мп, у которого температура рекристаллизации лежит в области 300°С. Он сочетает удовлетворительную прочность с жрошей пластичностью. Обычное значение удлинения сплава АМгб до разрыва не превышает 15-20% при комнатной температуре и составляет 50-60% при температурах 200-300°С [4, 5]. Исходные образцы из сплава АМг6 имели диаметр

Таблица 1

Оценка размера зерна недеформированного образца

Номер Число деле- Количество Размер зерна Размер зерна

поля нии окуляра зерен в делениях в мкм

1 10 8 1,25 10,00

2 10 4 2,50 20,00

3 10 11 0,91 7,27

4 10 9 1,11 8,89

5 10 10 1,00 8,00

6 10 14 0,71 5,71

7 10 14 0,71 5,71

8 5 11 0,45 3,64

9 5 9 0,56 4,44

10 5 10 0,50 4,00

Средний размер зерна 0,97 7,77

Таблица 2

Оценка размера зерна после 5 циклов деформации

Номер Число деле- Количество Размер зерна Размер зерна

поля нии окуляра зерен в делениях в мкм

1 10 25 0,40 3,20

2 10 29 0,34 2,76

3 10 27 0,37 2,96

4 10 24 0,42 3,33

5 10 32 0,31 2,50

6 10 44 0,23 1,82

7 10 36 0,28 2,22

8 10 38 0,26 2,11

9 10 34 0,29 2,35

10 10 39 0,26 2,05

Средний размер зерна 0,32 2,53

35 мм и механические свойства согласно ГОСТ 21488-97. Деформирование проводилось в аналогичных условиях, как при деформировании свинца. В процессе осадки заготовка разрушилась, усилие составляло порядка 52 т (рис. 6).

Последующие попытки производились на нагретых до 270°С заготовках, что позволило получить уже после первого цикла измельчение зерна. Отметим, что происходит деформационный разогрев и температура деформации составляет порядка 350-400°С, а последующее резкое охлаждение (помещение контейнера с заготовкой в холодную воду) позволило, очевидно, ограничить степень развития рекристаллизации.

Величины усилий на этапе деформирования составили: свободная осадка - 15 т, закрытая осадка, прошивка - 45 т, обратное выдавливание - 70 т.

На данном этапе исследований можно отметить, что происждит упрочнение материала, поскольку явно заметен рост усилия деформирования.

На рис. 7 представлены образцы после одного цикла деформирования: свободной осадки (когда не произошло заполнение свободного объема полости матрицы), после закрытой осадки (момент, когда свободная полость матрицы заполнена и происходит подъем обоймы) и два образца на этапе обратного выдавливания (промежуточная и окончательная стадии).

Последующий анализ микроструктуры производился аналогично, как в опыте со свинцом. В качестве травителя был выбран состав Келлера:

10 см3 HF; 15 см3 HCl; 90 см3 H2O.

Образец помещался в состав на несколько секунд. Полученные результаты исследования микроструктуры

Рис. 6. Разрушенный образец, деформированный при комнатной температуре

л-

; ty V" - ГТ у

V"

- ЧР' ;v-'sji'. to

jft ^ " SbWi Т1" * .V - v

1Ш . MS*

»t V i -

Map- V >v

'"•»А '•'•

щ

*

X

Д ' SO l/rrt

Рис. 7. Алюминиевые образцы после деформирования

б

Рис. 8. Структура образцов: а - до деформирования; б - после одного цикла

Таблица 3

Оценка размера зерна недеформированного образца

Номер Число деле- Количество Размер зерна Размер зерна

поля нии окуляра зерен в делениях в мкм

1 18 15 1,2 9,6

2 18 17 1,1 8,5

3 18 21 0,9 6,9

4 18 10 1,8 14,4

5 18 12 1,5 12,0

6 18 14 1,3 10,3

7 18 17 1,1 8,5

8 18 18 1,0 8,0

9 18 13 1,4 11,1

10 18 18 1,0 8,0

Средний размер зерна 1,2 9,7

приведены на рис. 8: а - до деформирования и б - после одного полного цикла деформирования. Размер зерна до деформации и после оценивался известным методом сечений (табл. 3, 4).

Сплав АМгб с добавками марганца (5,8-6,8%) склонен к пресс-эффекту. При горячем деформировании выделяющиеся частицы интерметаллидов на основе марганца закрепляют элементы дислокаци-онной структуры горячедеформированного сплава. Они затрудняют процесс рекристаллизации. В ре -зультате горячего прессования (а в исходном состоянии АМг6 находился именно в таком состоя -нии) фиксируется полигональная структура. Причем, трудно разделить границы зерна и субзерна. То есть уже в исходном состоянии присутствует суб-зерно размером ~ 10 мкм. За один полный цикл предлагаемого процесса горячего деформирования структура АМг6 приобретает более «тонкое» строение. Размер субзерен уменьшается до =3 мкм.

Вывод

Данное исследование показало, что предложенная схема деформирования, сочетающая в себе известные способы свободной осадки, закрытой осадки, закрытой прошивки и обратного выдавливания, повторяющиеся циклически, позволяет получать значительные изменения в структуре образцов уже после одного цикла деформирования.

Таблица 4

Оценка размера зерна после 1 цикла деформирования

Номер Число деле- Количество Размер зерна Размер зерна

поля нии окуляра зерен в делениях в мкм

1 18 52 0,3 2,8

2 18 48 0,4 3,0

3 18 43 0,4 3,3

4 18 69 0,3 2,1

5 18 72 0,3 2,0

6 18 56 0,3 2,6

7 18 87 0,2 1,7

8 18 64 0,3 2,3

9 18 76 0,2 1,9

10 18 71 0,3 2,0

Средний размер зерна 0,3 2,4

Список литературы

1. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971. 424 с.

2. Дмитриев A.M., Воронцов А.Л. Технология ковки и объемной штамповки. Объемная штамповка вьщавливанием: учебник для вузов по специальности «Машины и технология обработ-ки материалов давлением». М.: Высш. шк., 2002. 400 с.

3. ГОСТ 5639-82. Методы опредепенияи выявпениявепичинызерна.

4. Машиностроение: энциклопедия / ред. совет: К.В. Фролов и др. Т. 11-3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / под ред. И.Н. Фридляедера. М.: Машиностроение, 2001. 880 с.

5. Chuvil'deev V.N., Nieh T.G., Gryaznov M.Yu. Metal// Scripta Materialia. 2004. V. 50. № 6. P. 861-865.

List of literature

1. Storozhev M.V, Popov EA. The theory of processing of metals by pressure. M.: Machine industry, 1971. 424 p.

2. Dmitriev A.M., Vorontsov A.L The technology blacksmithing and volume punching. Volume punching by expression:. Textbook for high schools on a speciality «Machines and technology of processing of materials by pressure». M.: The higher school, 2002. 400 p.

3. GOST 5639-82. Methods of definition and revealing of sze of grain.

4. Machine industry: Encyclopedia / Editorial council Frolov K.B., etc. Nonferrous metals and alloys. Composite metal materials / under the editorship of I.N. Fridlyandera. M.: Machine industry, 2001. 880 p.

5. Chuvil'deev V.N., Nieh T.G., Gryaznov M.Yu. Metal // Scripta Materialia. 2004. V. 50. № 6. P. 861-865.