АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОДОЛЬНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ЧЕРЕЗ КАНАЛ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ФОРМОЙ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРУЖИННОГО ПРОИЗВОДСТВА

A highly efficient quality management system is a prerequisite for making competitive products in changing economic conditions while implementing the import substitution and production localization initiatives in the domestic manufacturing industry. As real-life experience shows, it is impossible to maintain the required product quality without improving and upgrading the quality management system. It should be state-of-the-art. The labor intensity of complex, advanced product manufacturing is an important factor to be considered in the early product development stages. It is a metric to assess the product's manufacturability. The complexity of estimating design labor intensity is largely due to its subjectivity as it relies on the experience and skills of individual experts. Such an approach cannot reflect the impact of rapidly evolving production systems and does ensure their efficient operation. This study considers some approaches to resource and labor intensity estimation for the manufacturing of gas-fired boilers. The proposed methodology is based on the analysis of a 3D product model and is applied to patented hot water gas boilers, with heat power from 40 to 1,000 kW.

Key words: product development, resource intensity, labor intensity, 3D product model.

Abrazhenin Aleksandr Aleksandrovich, postgraduate, winelless@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University,

Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, trushin@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.78

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-411-417

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОДОЛЬНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ЧЕРЕЗ КАНАЛ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ФОРМОЙ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРУЖИННОГО ПРОИЗВОДСТВА

М.Ю. Силаев, В.А. Ленина, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская, А.С. Кривоногова

Достаточно глубокие микроструктурные исследования горячекатаных полуфабрикатов для изготовления пружин показывают, что многочисленные исключения требований по качеству исходной заготовки приводят к снижению ответственности изготовителя металлопроката в соблюдении технологических регламентов от выплавки до заключительных операций по термообработке. В заключение необходимо отметить, что качество готовой пружины у потребителя начинается с чёткой регламентации технических требований к полуфабрикату в большей части шире трактуемых, чем в действующих нормативных документах (ГОСТах, ТУ и т. д.). Для решения этих задач предлагается использовать способы уширяющей экструзии и аэротермоакустической обработки.

Ключевые слова: уширяющая экструзия, аэротермоакустическая обработка, пружинное производство.

Одним из главных эксплуатационных требований, предъявляемым к пружинному материалу, является обеспечение повышенной прочности при действии сжимающих и изгибающих напряжений при динамической нагрузке. Прогнозируемые значения характеристик прочности пружинного материала зависят от применяемой технологии изготовления.

Технологические процессы изготовления являются несовершенными ввиду следующих основных недостатков:

1. Неоптимальное формирование структуры и механических свойств в осевом направлении.

2. Возможность снижения прочности и разрушения при функционировании ввиду несовершенства структуры металлов и наличия дефектов металлургического происхождения.

3. Образование поверхностных дефектов при обработке давлением, которые являются концентраторами напряжений в поверхностном слое.

4. Ресурс повышения прочности существующими способами обработки почти исчерпан.

Повышение качества пружинного материала возможно при жестком соблюдении технических требований, заданных в чертеже, к элементам и повышении качества структуры и прочности материала пружинного материала (пределов текучести и прочности, твердости, ударной вязкости).

Указанные требования в наибольшей степени обеспечиваются при формировании субмикрокристаллической структуры металла пружинного производства с размером кристаллитов порядка 300-500 нм. Одним из возможных направлений, позволяющим расширить границы применения методов обработки металлов давлением для изготовления пружин различного назначения повышенной прочности, является внедрение в технологический процесс способов интенсивной пластической деформации (ИПД) [1, 2] в сочетании с упрочняющей предварительной термомеханической обработкой и аэротермоакустической обработкой [3,9]. Используя эти методы, можно добиться значительного уменьшения размера зерна и получения высокопрочного состояния без изменения химического состава металла. При этом получаемая структура является недостижимой при использовании традиционных методов обработки [4].

Материалы и методика эксперимента. Наиболее целесообразным методом для производства заготовок с субмикрокристаллической структурой может быть метод уширяющей экструзии [2] или, в соответствии с классификацией процессов штамповки, продольного выдавливания в матрице с каналом переменного сечения. Принципиальной особенностью этого метода является последовательное изменение формы поперечного сечения деформируемой заготовки путем сдвиговой деформации при сохранении постоянства площади поперечного сечения. Привлекательность этого метода заключается в следующем:

- получение цилиндрических заготовок без дополнительных формообразующих операций;

- перераспределение и выравнивание структуры и механических свойств в поперечном сечении образцов [2];

- снижение технологических сил за счет знакопеременной деформации;

- возможность реализации на автоматических роторных линиях и пружинных автоматов.

С целью совершенствования пружинного производства предложена классификация технологических процессов их изготовления с применением способов ИПД (рис. 1). Приведенная структура является классификацией открытого типа и может расширяться за счет введения дополнительных признаков. Данная классификация не только упрощает ориентирование во множестве технологических процессов изготовления, но и помогает прогнозировать пути их совершенствования.

Данная технология может быть пригодна в первую очередь для производства пружин из специальных металлов и сплавов, бронзовых и титановых сплавов. Это связано с тем, что попытка достичь больших степеней деформации приводит к значительному росту напряжений в деформирующем инструменте и возможному его разрушению.

Изготовление заготовок потребует введения в технологический процесс разупрочня-ющей термообработки между операциями штамповки для восстановления пластичности материала заготовок, а также применения процессов деформирования с локализацией очага пластической деформации.

Для обеспечения сложного комплекса свойств, предъявляемых к заготовкам пружинного производства по геометрии, структуре металла и механическим свойствам, необходима разработка новых технологических решений формообразования и упрочнения на основе способов ИПД с использованием высокопроизводительных машин и автоматических линий. В табл. 1 представлена принципиальная схема технологических процессов изготовления.

Результаты и их обсуждение. Таким образом, выделено три варианта технологических процессов изготовления стальных сердечников с применением способов интенсивной пластической деформацией, формирование требуемых механических свойств в которых выполняется способами уширяющей экструзии и аэротермоакустической обработки, то есть включает предварительную холодную пластическую деформацию и упрочняющую термообработку (закалку и низкий отпуск) заготовок. Предлагаемые методы обработки и технологические решения были опробованы в лабораторных условиях с получением положительных результатов [59]. В частности, установлено, что последующая упрочняющая термообработка (закалка с низким отпуском) заготовок после холодной пластической деформации при кратковременном нагреве токами высокой частоты позволяет получить большее значение твердости по сравнению с термоупрочненными недеформированными заготовками.

-I "к11Iьное рии'ЗКО.'и." —:> |гр|фужииных м.ггериа.кт

Тип производства

Массовое

Степень универсальности процесса

ЕдиничнаЛ Типовой Групповой

Рабочий | | Перспективный

Вид материала исходной заготовки

Метод фарщшвания структуры и механических свойств материала заготовки

Спасав ИПД

Метод формирования структуры и механических свойств сердечника

| Прессовое \ \ Строчное \ \ АРЛ \ \ Агрегаты \

Рис. 1. Классификация технологических процессов изготовления с применением способов ИПД

360 00, СЮ  30000.00 25000,00 - е 20000.00 | 15000.00 1 10000.00 5000.00 0.00  ^ С (Рта, г/ оо

У

а

2,00 0 0.00 8 00 9,20 Путь, инструмента Н, им 9.Б7 10

1 2 3

а

б

Рис. 2. Оценка возможной области применения предлагаемой технологии: а - диаграмма зависимости «усилие деформирования - путь инструмента» на протяжении всего процесса деформирования, полученная в результате компьютерного моделирования; б - характер течения металла в процессе деформирования

\ I

Принципиальная схема технологических процессов заготовительного ^ производства_

№ стадии

Усилие деформирования P, Н

Вид заготовки в конце стадии

Характеристики стадий процесса

2

4

2.1

24600

Осадка заготовки, выбор зазора между заготовкой и поверхностью канала матрицы. Интенсивный рост усилия

2.2

24400

Поперечное сечение заготовки на нижнем торце принимает форму эллипса. Усилие незначительно уменьшается

2.3

24200

Поперечное сечение на нижнем торце принимает форму эллипса, развернутого на 90° по отношению к первому эллипсу

2.4

21800

Усилие деформирования уменьшается, поперечное сечение на нижнем торце заготовки принимает форму круга с диаметром 5,6 мм, начинается процесс выдавливания

2.5

20200

Усилие деформирования продолжает падать. Около 4 мм заготовки диаметром 5,6 мм полностью прошло процесс деформирования. Длина заготовки увеличивается. Площадь контакта заготовки с поверхностью рабочего канала матрицы уменьшается. Заготовка приобрела ступенчатую форму

3.1

33600

Интенсивный рост усилия деформирования. Форма, размеры заготовки, и положение в рабочем канале матрицы соответствуют стадии 2.5

3.2

29100

Усилие деформирования падает. Верхний торец заготовки принимает форму эллипса. 8..9 мм заготовки полностью продеформированно. Длина заготовки увеличивается

3.3

22600

Усилие деформирования продолжает падать. Верхний торец заготовки принял форму эллипса, развернутого на 90° по отношению к первому эллипсу. Длина продолжается увеличиваться

3.4

20800

Усилие деформирования уменьшается. Поперечное сечение заготовки на всей длине приобретает круг диаметром 5,6 мм. Длина заготовки наибольшая. Верхний торец заготовки находится в области калибрующего пояска

3.5

18000

Усилие деформирования наименьшее. Заготовка полностью продеформирована и удалена из канала матрицы

4.1

33900

Осадка заготовки на высоту 3,5 мм, выбор зазора между заготовкой и поверхностью канала матрицы. Интенсивный рост усилия деформирования. Форма заготовки соответствует стадии 2.1, но усилие деформирования на 11300 Н больше, вследствие наклепа

4.2

31400

Уменьшение усилия, поперечное сечение заготовки на нижнем торце принимает форму эллипса. Форма заготовки соответствует стадии 2.2, но усилие деформирования больше на 7000 Н

4.3

26900

Усилие деформирования продолжает падать, поперечное сечение заготовки на торце принимает форму эллипса, развернутого на 90° по отношению к первому эллипсу. Форма заготовки соответствует стадии 2.3, усилие на 2700 Н больше_

1

3

Окончание

4

4.4

24500

—- I 'Cj

19,5

Усилие деформирования также уменьшается, поперечное сечение заготовки на торце принимает форму круга с диаметром 5,6 мм, длина заготовки увеличивается. Форма заготовки соответствует стадии 2.4, усилие деформирования больше на 2700 Н

4.5

21400

Усилие деформирования падает. Площадь контакта заготовки с поверхностью рабочего канала матрицы уменьшается. Около 4 мм заготовки, диаметром 5,6 мм полностью прошло процесс деформирования. Длина заготовки увеличивается. Как и на стадии 2.5 заготовка приняла ступенчатую форму. Усилие на 1000 Н больше, чем для стадии 2.5_

5.1

34000

Интенсивный рост усилия деформирования. Форма, размеры заготовки, и положение в рабочем канале матрицы соответствуют стадии 4.5. Усилие деформирования соответствует усилию на стадии 3.1

5.2

29300

Усилие деформирования падает. Верхний торец заготовки принимает форму эллипса. Длина заготовки увеличивается. Форма заготовки и усилие деформирования соответствуют стадии 3.2

5.3

22800

Усилие деформирования продолжает падать. Верхний торец заготовки принял форму эллипса, развернутого на 90° по отношению к первому эллипсу. Длина продолжается увеличиваться. Форма заготовки и усилие деформирования соответствуют стадии 3.3

5.4

22500

Усилие деформирования уменьшается. Поперечное сечение заготовки на всей длине приобретает круг диаметром 5,6 мм. Форма и размеры заготовки, усилие деформирования соответствуют стадии 3.4

5.5

18400

Усилие деформирования наименьшее. Заготовка полностью продеформированна и удалена из канала матрицы. Форма, размеры заготовки и усилие деформирования соответствуют стадии 3.5

1

2

3

Выводы. Исследованы технологические возможности изготовления заготовок пружинного производства повышенной прочности из рессорно-пружинной стали, титановых и бронзовых сталей. Выполнено компьютерное моделирование методом конечных элементов процессов продольного прямого выдавливания, уширяющей экструзии. Полученные данные дают представление об основных особенностях протекания процессов, параметрах напряженно-деформированного состояния, степенях деформации, удельных нагрузках и др. Разработан и изготовлен опытный штамп для процессов продольного прямого выдавливания и уширяющей экструзии. Минимальное количество составных частей обеспечивает надежность функционирования, простоту сборки и изготовления. Конструкция штампа является универсальной и обеспечивает возможность смены рабочего инструмента. Применение направляющей исключает потерю продольной устойчивости пуансона.

Список литературы

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные 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 деформации. Донецк: Фирма ТЕАН, 2003. 87 с.

3. Смагоринский М.Е., Булянда А.А., Кудряшов С.В. Справочник по термомеханической и термоциклической обработке металлов. СПб.: Политехника, 1992. 416 с.

4. Патент на изобретение РФ № 2398649. Способ изготовления сердечника бронебойного патрона / Спасенко Н.В., Игнатенко В.В., Агеев Н.П., Яшкин В.А., Степанов Н.В., Захарь-ящев В В., Каинов Н.Г. Бюл. №25.

5. Фролова Е.О., Лобов В.А., Расулов З.Н. Применение метода акустической эмиссии для контроля титановых сплавов в авиационной промышленности // Сборник аннотаций конкурсных работ XIII Всероссийский межотраслевой молодёжный конкурс научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики». М. Издательство Перо, 2021. С. 224-226.

6. Ремшев Е.Ю., Олехвер А.И., Гусев А.С., Силаев М.Ю. Применение неразрушающе-го метода акустической эмиссии в производстве заготовок и изделий из титановых сплавов // Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники: материалы V Всероссийской научно-технической конференции (г. Москва, 19 июля 2021 г.), [Электронный ресурс] / ФГУП «ВИАМ». М.: ВИМ, 2021. С. 258-273.

7. Маликов В.Н., Ишков А.В., Войнаш С.А., Соколова В.А., Ремшев Е.Ю. Исследование процессов упрочнения стальных деталей методом индукционной наплавки // Металлург. 2021. № 11. С. 69-75.

8. Иванов К.М., Олехвер А.И., Винник П.М., Ремшев Е.Ю. Вопросы механики сплошных сред применительно к общепромышленным технологическим проблемам // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 4 (112). С. 62-69.

9. Воробьева Г.А., Силаев М.Ю., Ремшев Е.Ю., Еськова Е.А. Исследование влияния аэротермоакустической обработки (АТАО) на свойства холоднодеформированной бронзы БРНХК // Инновационные технологии и технические средства специального назначения: труды двенадцатой общерос. науч.-практ. конф. В 3 т. Т. 2. / Балт. гос. техн. ун-т. СПб. 2020. С. 15-20.

Силаев Михаил Юрьевич, заведующий лабораторией, silaev_miu@yoenmeh.ru, Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,

Ленина Виктория Андреевна, старший преподаватель, аспирант, lenina_va@yoenmeh.ru, Россия, Санкт-Петербург, «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,

Войнаш Сергей Александрович, инженер, sergey__voi@,.mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, ООО «ПРО ФЕРРУМ»,

Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@jnbox.ru, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного,

Ореховская Александра Александровна, канд. с.-х. наук, начальник отдела, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Россия, Белгородская область, п. Майский, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина,

Кривоногова Александра Станиславовна, канд. техн. наук, доцент, kas.spb.lta@mail.ru, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова

ANALYSIS OF THE TECHNOLOGICAL CAPABILITIES OF LONGITUDINAL EXTRACTION THROUGH A CHANNEL WITH A VARIOUS SHAPE OF THE CROSS-SECTION TO IMPROVE

THE SPRING PRODUCTION

M. Yu. Silaev, V.A. Lenina, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, A.A. Orekhovskaya, A.S. Krivonogova

Sufficiently deep microstructural studies of hot-rolled semi-finished products for the manufacture of springs show that numerous exceptions to the requirements for the quality of the original workpiece lead to a decrease in the responsibility of the manufacturer of rolled metal in compliance with technological regulations from smelting to the final heat treatment operations. In conclusion, it should be noted that the quality of the finished spring at the consumer begins with a clear regulation of the technical requirements for the semi-finished product, which are mostly interpreted more widely than in the current regulatory documents (GOSTs, TUs, etc.). To solve these problems, it is proposed to use the methods of broadening extrusion and aerothermoacoustic processing.

Key words: broadening extrusion, aerothermoacoustic treatment, spring production.

Silaev Mikhail Yurievich, head of the laboratory, silaev_miu@voenmeh. ru, Russia, St. Petersburg, «VOENMEH» named after D.F. Ustinova,

Lenina Victoria Andreevna, senior lecturer, postgraduate student, lenina_va@voenmeh.ru, Russia, St. Petersburg, «VOENMEH» named after D.F. Ustinova,

416

Voinash Sergey Alexandrovich, engineer, sergey_voi@,mail. ru, Russia, St. Petersburg, LLC «PRO FERRUM»,

Sokolova Viktoria Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolo-va_vika@jnbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny,

Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, head of department for work with grants and research and educational centers, orehovskaja_aa@bsaa.edu.ru, Russia, Belgorod region, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gor-in,

Krivonogova Alexandra Stanislavovna, candidate of technical sciences, docent, kas.spb.lta@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Forest Technical University

УДК 621

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-417-422

ВЛИЯНИЕ УДАЛЕНИЯ ВОДОРОДА У ЭВТЕКТИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ

СПЛАВОВ НА КОЛИЧЕСТВО НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ И ПРОЯВЛЕНИЯ ПРЕДРАСПОЛОЖЕННОСТИ К ОБРАЗОВАНИЮ ГАЗОВОЙ

ПОРИСТОСТИ

Р.Н. Зенкин, А.Р. Комарова

В настоящее время ввиду постоянного роста экономической составляющей на технологический или первичный алюминий широкий рынок нашелся для «вторичного алюминия». Характер образования дефектов на этапах расплав-отливка может иметь характер наследственности и современными способами не доводить до 100% годных деталей не зависимости характера происхождения алюминия. Проведено исследование зависимости коэффициента диффузии и показано, что при кремнии 8-12% затрудняется удаление водорода из жидкого металла в процессе дегазации и кристаллизации, вследствие этого в значительной мере проявляется предрасположенность к образованию газовой пористости.

Ключевые слова: первичный алюминий, вторичный алюминия, дегазация, дефект, металлические примеси, неметаллические включения, газовая пористость.

Из-за того, что спрос на алюминий продолжает расти, расширяя рынок изготавливаемых деталей, часть продукции направлена в сторону замены прототипов из стали и чугуна. Данный факт свидетельствует о повышении требований к качеству алюминиевой продукции и ставит приоритетным направлением уменьшение весовых характеристик без потери или с минимальными расхождениями значений по механическим свойствам. Из этого следует, что литейные цеха находятся в прямой зависимости от качества поставляемого сырья.

Сейчас существует большое количество поставщиков алюминия. Самыми крупными в России считаются: «РУСАЛ», «Ancuver», «БоАЗ» и др, которые поставляют как первичный, так и вторичный алюминий. На РФ в 2018 году приходилось более 6% от числа мирового производства алюминия. Отметим, что предприятие «Русал», которое является единственным российским экспортером и производителем алюминия, находится на втором месте в мире по производству первичного металла, уступив первое место только Aluminium Corporation of China [1].

Алюминий, который производится путем электролиза из глинозема, называют первичным алюминием. Технологический или первичный алюминий является исходной шихтой для литейного производства, так же, как и алюминиевый лом вторичной переработки. Во время технологического прогресса и постоянного роста цен широкий рынок нашелся для «вторичных плавильщиков». Они смешивают вторичный лом с первичным алюминием лом и получают так называемые вторичные алюминиевые сплавы. В открытом производственном процессе важно учитывать наследственность вторичного алюминия при его расплаве и последующем переходе дефектов в отливки. Данный факт имеет «плавающий» характер и может проявляться