Технологические схемы процессов накопления больших пластических деформаций

УДК 621.7.01

С. Г. Сынков

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОЦЕССОВ НАКОПЛЕНИЯ БОЛЬШИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

В работе представлены различные технологические схемы для накопления больших пластических деформаций в металлах и сплавах. Рассмотрены различные схемы деформации заготовок методом винтовой экструзии, их преимущества и недостатки. Представлена новая схема равноканальной деформации - реверсивная закрытая прошивка.

Большие пластические деформации давно интересуют исследователей. В настоящее время эти исследования приобрели дополнительное значение в связи с быстро возрастающим интересом к так называемым нано- и субмикроматериалам, структурные элементы которых имеют размеры 10-100 нм( нано-) и 100-1000 нм( субмикро-).

В результате больших пластических деформаций металлов размеры их структурных элементов (кристаллитов, фрагментов, границ раздела и т.д.) уменьшаются и достигают значений, характерных для нано- и субмикроматериалов. Вследствие этого сильнодеформированные металлы приобретают качественно новые свойства, многие из которых представляют практический интерес. В частности, они обладают аномально высокой пластичностью. Есть результаты, указывающие на возможность получения сверхпластичности некоторых материалов при комнатных температурах [1].

Для осуществления больших пластических деформаций можно использовать различные процессы обработки давлением: прокатку, волочение, прессование и др. Однако монотонное формоизменение заготовки (постоянное увеличение длины при прокатке и волочении, уменьшение высоты при осадке), очевидно, приводит к тому, что при больших деформациях ее размер, хотя бы в одном из направлений, становится чрезвычайно малым. Это резко сокращает область последующего использования таких заготовок.

Исследования показывают [2-4], что эффект больших деформаций при определенных условиях можно получить путём немонотонного формоизменения заготовок. Это используется в процессах обработки давлением, основной целью которых является накопление деформации в заготовках, а не изменение их формы. К таким процессам относятся: равноканальная угловая экструзия, всесторонняя ковка, винтовая экструзия и др., которые называют процессами накопления деформаций (ПНД). Поскольку форма заготовки после ПНД практически совпадает с исходной, то имеется возможность многократной обработки заготовки для накоп-

© С. Г. Сынков, 2007

ления в них достаточной деформации.

С одной стороны, ПНД являются процессами обработки давлением, поэтому их реализация невозможна без решения характерных для таких процессов задач: определения напряжённо-деформированного состояния заготовки, расчёта силовых параметров процесса, проектирования и изготовления деформирующего инструмента и оснастки, подбора смазок и т.д. С другой стороны, ПНД - это не обычные операции обработки давлением, целью которых является, прежде всего, формоизменение заготовок, а процессы, призванные формировать структуру материалов, обеспечивающую заданные физико-механические свойства.

К настоящему времени разработаны различные методы воздействия на материалы, позволяющие получать субмикрокристаллическую (СМК) структуру. Традиционные методы термомеханической обработки металлов придают им крупнозернистое строение, поскольку используется высокая температура обработки, приводящая к росту зерен. Установлено, что к получению зёрен СМК уровня приводит сочетание двух факторов. Это высокая интенсивность и существенная немонотонность деформации, осуществляемой при температурах не выше температуры протекания процесса возврата [5]. Первый процесс обеспечивает необходимое генерирование дислокаций и эволюцию дислокационной структуры, а второй - активацию новых систем скольжения решеточных дислокаций и их взаимодействие с образующимися при деформации малоугловыми границами фрагментов, что приводит к их перестройке в высокоугловые границы общего типа. Кроме того, необходимо наличие в очаге деформации высокого гидростатического давления, необходимого для предотвращения образования пор и трещин [6]. Такие методы, как кручение под гидростатическим давлением [7], рав-ноканальное угловое (РКУ) прессование [1], знакопеременный изгиб [8], аккумулируемая прокатка [9], винтовая экструзия [2], позволяют деформировать заготовку без изменения размеров и формы и в большей или меньшей степени позволяют дости-

гать необходимых высоких уровней деформации и механических свойств. Эти методы достаточно подробно описаны в приведенной литературе. А поскольку автор настоящей работы является представителем школы, в которой создан и достаточно успешно развивается процесс винтовой экструзии (ВЭ), хотелось бы кратко охарактеризовать этот процесс с точки зрения технолога.

Практическая реализация процесса ВЭ проходит на основе ряда известных процессов обработки давлением: гидроэкструзии, гидромеханической экструзии и механической экструзии (рис. 1).

Гидроэкструзия, особенно с противодавлением, обеспечивает высокую пластичность обрабатываемой заготовки и малые затраты на трение. Гидроэкструзия без противодавления позволяет осуществлять высокоскоростную интенсивную деформацию. Скорость деформации при этом может достигать 104 с-1. Основные проблемы связаны с уплотнением заготовки.

Гидромеханическая экструзия не имеет проблем, связанных с уплотнением заготовки. Однако величина максимальной деформации за один проход ограничена устойчивостью заготовки. При этом пластичность металла высока благодаря давлению

окружающей жидкости. Проблемы с устойчивостью заготовки в этой схеме решали с помощью поддерживающей вставки. Последняя, однако, приводит к увеличению затрат энергии на трение и усложняет технологическую операцию.

Механическая экструзия также реализуется в условиях противодавления, поэтому пластичность обрабатываемой заготовки относительно высокая. Величина максимальных деформаций ограничена, в основном, прочностью штока, контейнера и силовыми параметрами установки. Затраты на трение выше, чем в предыдущих схемах.

Методом ВЭ можно обрабатывать заготовки не только прямоугольного сечения, но и достаточно сложных форм, в том числе и с осевым каналом, рис. 2.

В последнем случае необходима экструзия заготовок на оправке. На наш взгляд, обработку профильных и полых заготовок невозможно реализовать другими методами, кроме ВЭ.

Рис. 2. Возможные формы заготовок для ВЭ ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007

Исследования различных схем процесса ВЭ показали степень влияния трибологических параметров на силовые условия процесса [10]. Особенно это влияние сказывалось при реализации процесса ВЭ сплавов в диапазоне температур Т = 250-450 °С. В Дон ФТИ НАН Украины была создана низкотемпературная смазка на основе стекла, эффективно работающая в указанном диапазоне температур, и разработана схема квазигидростатической ВЭ, позволяющая существенно снизить силовые условия процесса и улучшить условия работы инструмента [10]. На рис. 3 показана схема квазигидростатической ВЭ, в которой канал контейнера выполнен комбинированным: цилиндрическая часть канала, в которой создается давление штоком переходит в профильную часть, в которой располагают обрабатываемую заготовку. Таким образом, устойчивость заготовки не нарушается, а рабочая среда - графит в смеси с низкотемпературной смазкой, передает давление на заготовку, создает благоприятную схему напряженного состояния.

В заключение необходимо представить еще одну схему ПНД, созданную в Дон ФТИ НАН Украины автором настоящей работы [11]. Эта схема, названная реверсивной закрытой прошивкой (РЗП), показана на рис. 4.

В первом цикле обработки на столе пресса 1 (рис.4, а) устанавливают плиту 2 со штампом 3, опорой 4, заготовкой 5, пуансоном 6 и устройством противодавления 8, смонтированном на плите 9. При ходе ползуна пресса 10 вниз осуществляется закрытая прошивка заготовки 5, принимающей форму стакана. На верхний торец стакана действу-

ет противодавление, создаваемое устройством 8. В зависимости от необходимой величины противодавления в качестве такого устройства могут применяться специальные шайбы.

Для восстановления первоначальной формы заготовки на верхний торец заготовки стакана 5 устанавливают пуансон 7 (рис.4, б), а устройство противодавления перемещают с торца заготовки на верхний торец пуансона 6. При ходе ползуна пресса 10 осуществляется цикл реверсирования, в результате чего стакан превращается в заготовку первоначальной формы.

Среднюю величину накопленной деформации за цикл закрытой прошивки рассчитывают по соотношению У. Джонсона [12]

ец = 0,8 +1,5 • 1п

Ц

й 2

й 2 - й2

где С и с(2 -наружные диаметры пуансонов 6 и 7 соответственно.

После восстановления первоначальной формы заготовка переворачивается на 180° и оба цикла повторяются.

По этой схеме были обработаны заготовки из меди и вторичного алюминия [4]. По сравнению с известными схемами равноканального деформирования упрощается конструкция матрицы и повышается ее прочность. Кроме того, обеспечивается накопление существенных пластических деформаций (е = 10......14) без промежуточных термообработок и гомогенизация упрочнения материала по объему заготовок.

Рис. 3. Установка ВЭ с комбинированным рабочим каналом контейнера

Рис. 4. Схема обработки заготовки реверсивной закрытой прошивкой:

а - конец цикла закрытой прошивки; б - конец цикла реверсирования - восстановления первоначальной формы образца

Перечень ссылок

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктур-ные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

2. Бейгельзимер Я.Е., Варюхин В.Н., Орлов Д.В., Сынков С.Г. Винтовая экструзия - процесс накопления деформаций.Донецк: Фирма ТЕАН, 2003. - 87с.

3. Процессы пластического структурообразования металлов/ В. М.Сегал, В.И. Резников, В.И.Копылов и др. МЫск : Навука i техыка, 1994. -234 с.

4. С.В.Мирошниченко, В.Г. Сынков, С.Г. Сынков. Реверсивная закрытая прошивка с противодавлением.// Кузнечно-штамповочное производство. 2003.№6. с.38-41.

5. Н.П. Лякишев, М.И. Алымов. Наноматериалы конструкционного назначения .//Российские нанотехнологии 2006. - №1-2. - Том 1. - С. 71-81.

6. Кайбышев О.А., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труд-

нодеформируемых сплавов. - М.: Наука, 2002.

7. Бриджмен П.В. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. - М.:ИЛ, 1955. - 444 с.

8. Скороход В.В, Рагуля А.В.// Порошковая ме-талургия. - 1994.- №3-4. - С. 1.

9. Saito Y., Utsunomiya H., Tsuji N., and Sakai T.,/ /Acta Mater. 1999.V.47.P.579.

10. Основы технологии получения пластин для травматологии и ортопедии методом винтовой экструзии с последующей прокаткой/ Л.Е.Бейгельзимер, С.Г. Сынков, А.В.Решетов// Металл и литье Украины. - 2005. - №11-12. - С. 57-60.

11. Патент Украины №46999 от 15.05.2001 г. Способ упрочнения материала и устройство для его осуществления (Сынков С.Г., Варюхин В.Н., Сынков В.Г. и др.).

12. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. - М.: Машиностроение, 1979. - 568 с.

Поступила в редакцию 20.06.2007

У робот1 представлено pi3Hi технолог1чн1 схеми для накопичення великих пластичних деформацй у металах i сплавах. Розглянуто р1зн1 схеми деформацИ' загот1вок методом гвинтово!екструзИ, !хнi переваги та недолiки. Представлено нову схему равноканально! деформацИ' - реверсивне закрите прошивання.

Various technological schemes for the accumulation of large plastic deformation at the metals and alloys were presented in the paper. Different schemes of billet deforming by the Twist Extrusion method were viewed, theirs advantages and disadvantages were described. New scheme of equal channel deforming calling Reversible Closed Punching has been performed.

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007

- 149 -