На правах рукописи

ОВЕЧКИН ЛЕОНИД МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

ЗАГОТОВОК С УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ НА

ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАВНОКАНАЛЬНОГО

УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

Специальность 05.02.09 – «Технологии и машины обработки давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сосенушкин Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шестаков Николай Александрович ФГБОУ ВПО «МГИУ»

кандидат технических наук, доцент Лисунец Николай Леонидович НИТУ МИСиС

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «УГАТУ» г. Уфа

Защита диссертации состоится « 17 » апреля 2012 года в _часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.142.01 в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу:

127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим выслать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан « 16 » марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.142.01 М.А. Волосова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях техники существует потребность в конструкционных материалах, обладающих комплексом повышенных прочностных свойств наряду с малой массой.

Традиционные технологии, направленные на упрочнение материалов, позволяют в большинстве своем производить проработку структуры с целью повышения прочностных свойств не полностью. В связи с этим возникает необходимость применения технологии, позволяющей осуществлять проработку структуры по всему объему заготовки.

По результатам теоретических исследований, перспективными технологиями, направленными на увеличение прочностных свойств металлов и сплавов на основе алюминия, меди, титана, а также на получение ультрамелкозернистой, а в пределе и наноструктуры, являются технологии, основанные на методах интенсивной пластической деформации.

Равноканальное угловое прессование, как разновидность методов интенсивной пластической деформации, подразумевает продавливание исходной заготовки через пересекающиеся каналы равного поперечного сечения. В результате осуществления цикла сдвиговой деформации эффективно дробится структура по объему обрабатываемой заготовки. При этом поперечное сечение заготовки во входном и выходном каналах остается постоянным.

Наряду с теоретическими исследованиями структур и свойств металлов после равноканального углового прессования, при рассмотрении данной технологии с практической точки зрения стоит отметить недостаточный объем технологических исследований, направленных на экспериментальную реализацию процесса. При осуществлении процесса равноканального углового прессования особое внимание следует уделять выявлению особенностей напряженно-деформированного состояния и кинематики течения металла в канале матрицы, а также влияния на них геометрических параметров канала.

Работа, направленная на совершенствование технологии равноканального углового прессования как одного из методов интенсивной пластической деформации, является актуальной.

В качестве объекта исследования выбраны заготовки квадратного поперечного сечения со стороной квадрата 16 мм, обрабатываемые по технологии многократного равноканального углового прессования.

Целью работы является повышение эффективности процесса получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой на основе алюминия путем научного обоснования и рационального сочетания геометрических параметров штамповой оснастки, оказывающих существенное влияние на энергосиловые характеристики, кинематику течения и напряженно-деформированное состояние металла заготовки.

Для достижения указанной цели в работе ставились и решены следующие задачи:

равноканального углового прессования с целью выявления взаимосвязей геометрических параметров с особенностями кинематики течения и степени влияния на энергосиловые характеристики;

равноканального углового прессования для расчета энергосиловых характеристик;

– разработать устройство для реализации процесса равноканального углового прессования с возможностью быстрой переналадки для изменения геометрических параметров каналов;

достоверность теоретических положений работы;

интенсивного пластического деформирования на изменение структуры заготовок;

получения конструкционных материалов с ультрамелкозернистой структурой.

Методы исследования. Компьютерное моделирование течения металла в канале матрицы и оценка энергосиловых параметров процесса осуществлялись методом конечных элементов, являющимся основой используемого программного комплекса, а также математическое моделирование с использованием метода линий скольжения для нахождения приращения интенсивности деформации сдвига. Исследование структур проводилось с помощью методов металлографии.

Достоверность результатов подтверждается соответствием результатов компьютерного и математического моделирования с экспериментом, а также возможностью практического использования результатов работы.

Научная новизна работы заключается:

равноканального углового прессования, таких как сила прессования и работа деформации, с геометрическими параметрами канала матрицы, а, именно, размерами поперечного сечения каналов и углами их пересечения;

– в компьютерной модели, устанавливающей особенности и характер течения металла в канале матрицы в зависимости от величин радиусов сопряжения каналов, оказывающих влияние на структурообразование, и выявлении ограничений параметров канала, определяющих вид деформации заготовок;

– в выявлении зависимости интенсивности накопленных деформаций как от угла пересечения каналов матрицы, так и от внешнего радиуса сопряжения каналов матрицы;

– в математической модели для расчета сил деформирования при реализации последующих циклов равноканального углового прессования, учитывающей размер поперечного сечения каналов матрицы и условия трения.

Практическая ценность работы заключается:

– в разработке устройства (патент №86507 на полезную модель) для равноканального углового прессования, в конструкции которого использован модульный принцип, позволяющий производить быструю переналадку за счет изменения угла пересечения каналов, оказывающего влияние на интенсивность дробления зеренной структуры;

– в получении заготовок из технического алюминия с повышенными механическими характеристиками, а, именно, пределом прочности и значениями микротвердости за счет измельченной зеренной структуры, что подтверждает проведенный микроструктурный и дюрометрический анализ;

– в конструкции штамповой оснастки (патент №2440210 на изобретение), позволяющей сократить число переходов за счет поворота сечения заготовки в процессе прессования на 90°.

Реализация работы. Полученные результаты и рекомендации приняты к использованию в Московском научно-техническом центре «Аверт» и в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» по профилю «Конструкторско-технологическое обеспечение кузнечно-штамповочных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и одобрены на международных конференциях:

– «XIX Международной Интернет - ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2007)»

(ИМАШ РАН 2007 г.), «Юбилейной XX Международной Интернет ориентированной конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС-2008)», посвященной 70- летию ИМАШ РАН (ИМАШ РАН 2008 г.), научно - технической конференции «Студенческая весна 2009» (МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2009 г.), Международной конференции студентов и аспирантов (2010 год);

принимали участие в конкурсах:

– в Открытом конкурсе в 2008 году на лучшую научную студенческую работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам;

– во Втором международном конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (2009 год);

собственности «Архимед - 2010».

Публикации: Основные положения диссертации отражены в публикациях, включая 4 в рецензируемых научно-технических журналах из перечня ВАК, 2 патентах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 143 источников, машинописного теста, включает 62 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

равноканального углового прессования и обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе выполнен анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной исследованию технологии получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой методом равноканального углового прессования. Данная технология впервые была предложена В.М. Сегалом и использована для упрочнения металлов, залечивания внутренних пор, а также проработки литой структуры заготовок. Именно технология равноканального углового прессования, основанная на методе интенсивной пластической деформации, позволяет достигать ультрамелкозернистой структуры в альтернативным методам. Изучению напряженно-деформированного состояния при равноканальном угловом прессовании посвящены работы В.Л. Бережного, Р.З. Валиева, О.А. Ганаго, Г.И. Рааба, Е.Н. Сосенушкина, Ф.З. Утяшева. В работах А.М. Дмитриева, А.Н. Красновского, Н.М. Русина, Л.А. Рябичевой, Н.А. Шестакова отмечается эффективность использования технологий интенсивного пластического деформирования, в том числе равноканального углового прессования, для уплотнения некомпактных структур, например профилей из стружки цветных металлов и порошковых материалов. Влияние контактного трения при реализации равноканального углового прессования рассмотрено в работах А.М. Золотова и Р.А. Паршикова. Большое количество работ направлено на компьютерное моделирование процесса равноканального углового прессования, среди которых стоит отметить таких авторов, как Г.И.

Рааб, Ю.И. Рыбин.

По результатам анализа литературных источников были сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе представлены результаты анализа кинематики течения металла в канале матрицы при равноканальном угловом прессовании посредством компьютерного моделирования. Для этого была создана конечноэлементная модель заготовки, помещенная в канал матрицы и деформируемая пуансоном. В соответствии с этим были созданы модели оснастки с каналами равного поперечного сечения D=16х16 мм и углом пересечения 2=90° для достижения наибольшей степени деформации за один цикл прессования.

Исходя из исследуемой схемы равноканального углового прессования, основными геометрическими параметрами канала матрицы являются угол пересечения каналов 2, а также внутренний и внешний радиусы сопряжения каналов.

Моделирование проводилось при разных сочетаниях внутреннего и внешнего радиусов сопряжения каналов, значения которых находились в диапазоне D/16D мм. Материал заготовки при моделировании – технический алюминий АД1 (рис. 1).