МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Злочевська Наталія Костянтинівна

УДК 621.77.043

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ГОМОГЕННИХ ТА СТРУКТУРНО-НЕОДНОРІДНИХ МАТЕРІАЛІВ ПРИ

ПЛАСТИЧНОМУ ФОРМОУТВОРЕННІ ДЕТАЛЕЙ

Спеціальність

05.03.05 - «Процеси та машини обробки тиском»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2015

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України

«Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України на кафедрі

механіки пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих процесів

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Тітов Вячеслав Андрійович, Національний

технічний університет України «Київський

політехнічний інститут», завідувач кафедрі механіки

пластичності матеріалів та ресурсозберігаючих

процесів.

Офіційні опоненти: член-кореспондент Національної академії наук

України, доктор технічних наук, професор

Штерн Михайло Борисович, Інститут проблем

матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН

України, м. Київ, зав. відділом мікромеханіки,

реології та обробки порошків та композиційних

матеріалів тиском;

кандидат технічних наук

Жбанков Ярослав Геннадійович, Донбаська

державна машинобудівна академія, м. Краматорськ,

доцент кафедри обробка металів тиском.

Захист відбудеться «30» червня 2015 р. о 1500

годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.01 у Національному технічному університеті

України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ,

пр. Перемоги, 37, корп. 1, ауд.166.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Національного

технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою:

03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «___» __________ 2015 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор О.О. Боронко

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Ефективність використання наукоємної техніки

машинобудування (літальних апаратів, транспортних засобів, двигунів та інших)

визначається її надійністю і економічністю в експлуатації. Основними факторами,

які забезпечують ці показники, є застосування ефективних конструкційних

матеріалів з підвищеними механічними властивостями (міцністю та пластичністю),

а також з рівномірною дрібнокристалічною або спеціальною структурою.

Перспективність підвищення механічних властивостей металів легуванням, як

це показано в роботах академіка Фрідляндера І.Н., в останні роки знижується. Так,

за останні 40-50 років питома міцність конструкційних алюмінієвих сплавів

збільшилася в 1,5 - 2 рази, а за прогнозом на найближчі роки, може збільшитись

тільки на 8 - 20%. При цьому значення питомого модуля пружності практично не

змінюється. Така тенденція зберігається і для інших сплавів. Тому в середині

минулого століття активно почали розвиватися альтернативні напрями підвищення

механічних властивостей металів і сплавів шляхом формування дрібнокристалічної

структури пластичним деформуванням, а також створення та використання

структурно-неоднорідних матеріалів (СНМ).

Теоретично і експериментально обґрунтовано, що розвиток деформацій зсуву

при реалізації технологічних схем деформацією простого зсуву при

рівноканальному кутовому пресуванні або деформацією кручення при гвинтовому

пресуванні під високим гідростатичним тиском однозначно пов'язаний з

подрібненням елементів структури і підвищенням механічних властивостей міцності

на 25 - 40% при збереженні показників пластичності.

Застосування конструкційних матеріалів, зміцнених фазовими складовими

твердих евтектик – квазікомпозиційні матеріали також підвищують механічні

характеристики. Особливий інтерес в авіадвигунобудуванні представляють

евтектично зміцнені матеріали системи «титановий сплав - бориди титану» (Ті-

ТіВn). Наприклад, матеріал на основі титанового сплаву ВТ 22 забезпечує

підвищення границі міцності до 20% та границі витривалості до 10 %. Такі

«квазікомпозицийні» структурно - неоднорідні матеріали мають хороші

перспективи використання для виготовлення лопаток компресора газотурбінних

двигунів (ГТД), заготовки для яких у промислових умовах отримують пресуванням.

В процесі пресування заготовок наявність твердої і крихкої структурної фази

евтектики ТіВn викликає певні труднощі, пов'язані з руйнуванням в процесі

деформування боридної складової. Це може привести до руйнування матеріалу на

граничній поверхні фаз, а також до зниження механічних властивостей матеріалу і

міцності заготовки лопатки в цілому. З іншого боку, для забезпечення рівномірності

розподілу механічних властивостей, а також для їх підвищення в порівнянні з

властивостями литої заготовки, тверду фазу евтектики ТіВn слід доробити,

наприклад шляхом деформування.

Попередні дослідження показали, що деформування заготовки лопатки з

безпосередньо литого матеріалу утруднено через високий градієнт деформацій у

перехідній зоні від вихідної заготовки до пера лопатки, що пов'язано з необхідністю

значного подрібнення твердої фази. Зменшення ступеню подрібнення зміцнюючого

2

компонента при остаточному пресуванні заготовки лопатки може бути досягнуто

попереднім формуванням дрібнокристалічної структури литої заготовки.

Таким чином, основною ідеєю, що реалізована в роботі, є двохстадійне

формування механічних властивостей матеріалу деталей на етапах попереднього

формування дрібнокристалічної структури металу пластичним формуванням

заготовки в умовах гвинтового уширяючого пресування (ГУП), а на другому етапі –

штампування деталі з цієї заготовки.

Тому, підвищення механічних властивостей гомогенних та структурно-

неоднорідних матеріалів при пластичному формоутворенні деталей являється

актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконувалась відповідно до тематичного плану держбюджетних

науково-дослідних робіт Національного технічного університету України

«Київський політехнічний інститут» (НТУУ «КПІ») за темами: «Створення

новітньої технології пластичного формоутворення при складному навантаженні в

ізотермічних умовах відповідальних елементів конструкцій з евтектично зміцнених

титанових сплавів» (державна реєстрація №0107U002086), 2007-2009 рр., здобувач

приймав участь у виконані розділів 1, 4, 7 підрозд. 3.1, 3.3, 5.1, 5.2.; «Дослідження

процесів структуроутворення та створення теорії інтенсивного пластичного

деформування алюмінієво-літієвих та титанових сплавів» (державна реєстрація

№0107U002407), 2010-2012 рр., здобувач приймав участь у виконані розділів 1, 3, 5,

8.; «Створення теоретичних основ ресурсозберігаючої технології ізотермічного

формоутворення в широкому діапазоні температур та швидкостей деформацій

тонкостінних елементів виробів машинобудування» (код державної реєстрації

0113U001912), 2013 р., де здобувач є виконавцем.

Основні результати також отримані та впроваджені на замовлення

підприємств: АТ «Мотор Cіч»: № 09/07/0365/08-Д(УГТ) від 10 грудня 2007 р.,

№ 06/10 (УГТ) від 20 грудня 2010 р., № 11959/12-Д (УГТ) від 02 листопада 2012 р.,

№ 5602/13-Д (УГТ) від 15 квітня 2013 р.; ЗМКБ «Прогрес» ім. академіка

Івченко О.Г.; № 01/08/93 від «01» лютого 2008 р., № 01/11/77 від 01.02.2011 р., де

здобувач був виконавцем.

Мета дослідження – удосконалення процесів пластичного формоутворення

для підвищення механічних властивостей деталей з гомогенних та структурно

неоднорідних металів на основі попереднього формування властивостей заготовки.

Задачі дослідження:

1. На основі аналізу сучасного стану і перспектив розвитку процесів забезпечення

механічних властивостей при виготовленні деталей технологічними методами

пластичного деформування по науково-технічним публікаціям сформулювати

недоліки та визначити основні задачі дослідження;

2. Розробити спосіб та оснащення для підвищення рівномірності механічних

властивостей металу, що оброблюється;

3. На основі узагальнення результатів аналізу наукових публікацій розробити

структуру процесу забезпечення механічних властивостей деталей з урахуванням

технологічної спадковості попередньо пластично деформованих заготовок;

3

4. Розробити методику теоретичного та експериментального дослідження та

визначення параметрів процесів деформування;

5. Розробити математичну модель процесу ГУП за запропонованою схемою для

формування механічних властивостей металів та сплавів;

6. Виконати чисельне моделювання процесу ГУП;

7. Експериментально обґрунтувати наукові результати по формуванню механічних

властивостей матеріалів та сплавів при ГУП;

8. Виконати чисельне моделювання процесу деформації СНМ;

9. Експериментально відпрацювати процес ізотермічного пресування заготовок

лопаток в промислових умовах;

10. Розробити рекомендації по впровадженню нових технічних рішень.

Об’єкт дослідження – процес гвинтового уширяючого пресування для різних

класів конструкційних матеріалів та ізотермічного пресування лопаток ГТД.

Предмет дослідження – закономірності формування механічних властивостей

при виготовленні деталей з гомогенних та структурно-неоднорідних конструкційних

матеріалів.

Методи дослідження. В основу роботи покладено системний аналіз та

комплексний розгляд взаємозв’язку параметрів напружено-деформованого стану

заготовки при ГУП з структурою та механічними властивостями матеріалу. Для

вирішення поставленого завдання пластичного деформування заготовки в умовах

ГУП використані фундаментальні положення теорії пластичної течії з описом полів

швидкостей руху металу в осередку деформації та паралельним чисельним

експериментом при моделюванні процесу методом скінчених елементів з

використанням CAD/CAE DEFORM– 3D та Abaqus.

Достовірність розроблених математичних моделей та результатів чисельного

аналізу підтверджена результатами експериментальних досліджень енергосилових

параметрів та параметрів якості таких, як мікротвердість, металографічні

дослідження, гомогенність та дослідження на розтяг та стиск.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше розроблено та досліджено математичну модель процесу ГУП, яка

описує поле швидкостей переміщення матеріальних часток в осередку деформацій з

використанням просторово-часової системи координат, що дозволило зв'язати

параметри процесу деформування заготовок з формою каналу матриці.

Використання загальних рівнянь теорії пластичної течії дозволило визначити НДС

деформуємої заготовки та енергетичні параметри процесу. Показано, що збільшення

еліптичності поперечного перерізу заготовки знижує різницю (відносних значень

твердості) накопиченої деформації між центром і периферією;

2. Теоретично та експериментально встановлено при вимірюванні твердості

оброблених заготовок, що величина накопиченої деформації має максимальну

величину в периферійній зоні, а до центру заготовки знижується, але в меншій мірі,

ніж при звичайному гвинтовому пресуванні. При наступних проходах величина

твердості збільшується, при цьому різниця відносних значень твердості між центром

і периферією зменшується, тобто зсувні деформації розвиваються від периферії до

центру. Цей ефект виявляється більшою мірою для багатофазних і евтектично-

зміцнених матеріалів;

4

3. Експериментальна оцінка однорідності механічних властивостей по перерізу

заготовки з використанням коефіцієнта гомогенності за методом академіка

А.О. Лебедєва показала, що для однофазних металів і сплавів деформування в

умовах ГУП підвищує ступінь однорідності. Вперше показано, що для двохфазних

сплавів зі збільшенням ступеня деформації зменшується величина коефіцієнта

гомогенності, при підвищенні рівномірності ступеня його розподілу по перерізу.

При цьому встановлено, що для литого двохфазного сплаву після першого проходу

деформації величина коефіцієнта гомогенності збільшується на 10-12%;

4. Вперше експериментально показана ефективність використання

двохстадійного пресування евтектично-зміцнених сплавів, при якому на першій

стадії забезпечується попереднє подрібнення зміцнюючої фази шляхом

деформування в умовах всебічного стиску та великих деформаціях зсуву, а на другій

стадії – безпосереднє пресування пера лопатки в умовах що близькі до ізотермічних;

5. Вперше показано, для двохфазного матеріалу системи Ti -TiBn, що має тверду

(крихку) фазу TiBn, ефект збільшення характеристик розсіювання твердості

виявляється більшою мірою за рахунок, збільшення кількості зон гальмування

дислокацій під час деформування на граничних поверхнях твердої фази в зв'язку з її

подрібненням. При цьому абсолютне значення твердості також збільшується.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблено процес виготовлення лопаток ГТД зі сплаву ВТ 22, що евтектично-

зміцнений боридами титану. Показано, що реалізація процесу забезпечує

підвищення механічних властивостей по відношенню до литої структури на 10 -

16% в замковій частині пера лопатки, а в тілі пера лопатки – на 12 – 17%;

2. Розроблено інструмент для реалізації процесу ГУП (патент України № 64346

від 10.11.2011р.), який дозволяє знизити концентрацію напружень по периметру

поперечного перерізу гвинтової ділянки шляхом модифікації поперечного перерізу

формуючої ділянки;

3. Створено алгоритми та програмне забезпечення для розрахунку енергосилових

параметрів і напружено-деформованого стану процесу ГУП та процесу формування

пера лопатки;

4. Створено оснащення для дослідження технологічних процесів ГУП для різних

класів матеріалів та виготовлення елементів конструкцій;

5. Розроблено технологічні рекомендації по реалізації процесів ГУП та

формуванню заготовки пера лопатки. Результати роботи впроваджені на АТ «Мотор

Січ» (м. Запоріжжя) та ДП «Івченко-Прогрес» (м. Запоріжжя).

Особистий внесок здобувача. Здобувачем на основі аналізу публікацій та

нормативної документації сформульовані недоліки існуючої технології та визначені

основні напрямки розвитку процесу ГУП. У роботах, виконаних у співавторстві,

здобувачу належить одержання наукових результатів, що становлять наукову

новизну дисертації, проведення експериментальних робіт та аналізу

експериментальних результатів, узагальнення результатів для створення технічних

рішень та доведення їх до впровадження у виробничих умовах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації

доповідалися та обговорювалися на: Міжнародній науково-практичній конференції

«Прогресивна техніка і технологія» 2013, 2014 (м. Севастополь); ІІІ, ІV. V МНТК

5

«Теоретичні та практичні проблеми в обробці матеріалів тиском» – 2012, 2013,

2014 рр. (м. Київ); МНТК «Нові технології, методи обробки та зміцнення деталей

енергетичних установок» – 2010 (м. Алушта); ІІІ МНТК «Ресурсосбережение и

энергоэффективность процессов и оборудования обработки давлением в

машиностроении и металлургии» – 2012 (г. Харьков); VІІІ МНТК "Прогресивна

технологія життєвого циклу авіаційних двигунів та енергетичних установок" – 2012

(м. Запоріжжя - Алушта); ІІ МНТК «Машины и пластическая деформация металлов»

- 2013р (г. Запорожье); ХVІ МНТК присвячена 60-річчю ДДМА – 2013р.

(м. Краматорськ). В повному обсязі дисертація доповідалась та схвалена на кафедрі

технології авіаційних двигунів Запорізького НТУ у 2014 р. та на МНТК

«Теоретичні та практичні проблеми в обробці матеріалів тиском» у 2014р.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 27 наукових праць, у

тому числі 15 статей у наукових фахових виданнях України, з них: 2 статті у

виданнях іноземних держав; 10 статей у виданнях України, які включені до

міжнародних наукометричних баз, 7 патентів на корисну модель, 5 тез доповідей в

збірниках матеріалів конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу,

5 розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Матеріал

представлений на 235 сторінках машинописного тексту, у тому числі 219 сторінок

основного тексту, 136 малюнків, 27 таблиць, список використаних джерел з 202

найменувань та трьох додатків на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність науково-практичної задачі дисертації,

сформульовані мета і завдання дослідження, наукова новизна і практична цінність

отриманих результатів. Наведена інформація про публікації та апробацію роботи,

структуру дисертації.

У першому розділі розглянуто сучасний стан шляхів підвищення механічних

властивостей матеріалу деталей на прикладі лопаток компресора ГТД. В рамках

сформульованої наукової ідеї показана перспективність підвищення механічних

властивостей на етапі формування заготовки перед наступним штампуванням за

рахунок використання багатофазних сплавів, особливо евтектично-зміцнених, а

також обробки заготовок в умовах великих деформацій зсуву для отримання

дрібнокристалічної структури.

Проведено аналіз наукових публікацій розвитку процесів інтенсивних

пластичних деформації (ІПД) та їх вплив на структуру та механічні властивості

металів для збільшення ресурсу виробів машинобудування. Аналіз наукових робіт

В.М. Сєгала, A.K. Emaletdinovа, M. Kawasaki, Є.Г. Пашинскої, В.Н. Варюхіна та

інших вчених показав, що методи ІПД принципово відрізняються від інших

деформаційних методів обробки великими ступенями деформації без формозміни,

що забезпечує ефективне подрібнення елементів мікроструктури матеріалу,

формування гранично зміцненого стану, а також високий рівень нерівноважності

структури, яка виявляється у вигляді підвищеної щільності дислокацій на границях

зерен.

6

Було розглянуто один з перспективних напрямків процесів ІПД –

рівноканальне кутове пресування (РКУ). Значний внесок у вивчення процесів ІПД,

зокрема процес РКУ внесли роботи Р.З. Валієв, А.Г. Рааб, А.V. Nagasekhar, Y. Tick-

Hon, А.В. Боткін, В.М. Сєгал, Т.Г. Ленгдон, R. Lapavok, Л.Р. Саітова,

A. Rosochovski, М.Ю. Мурашкін та інших вчених. У роботах розглянуті різні схеми

реалізації процесу РКУ, досліджувались параметри технологічного процесу в

залежності від схем реалізації. За результатами аналізу цих робіт автором виділено

для подальших досліджень основні параметри якості, а саме: структура матеріалу,

кількість переходів, механічні характеристики.

Показано, що більш перспективним по ефективності впливу на структуру

металу та продуктивності процесу є інший напрямок процесів ІПД – гвинтове

пресування. Значний внесок у вивчення процесу гвинтового пресування внесли

Я.Ю. Бейгельзимер, В.Н. Варюхін, Е.Г. Пашинська, С.В. Добаткін, С.Г. Синков,

В.М. Ткаченко, А.В. Решетов, Д.В. Орлов, М.Б. Штерн, X.Z. Liao, А.Г. Синков,

X. Huang, О.В. Прокоф’єва, А.В. Спусканюк та інші вчені. За результатами аналізу

автором були визначені переваги та недоліки процесу в порівнянні з процесом РКУ.

Також попередніми дослідженням встановлено, що на механічні властивості

отриманих заготовок в значній мірі впливають форма гвинтового каналу, наявність

протитиску, якість вихідного матеріалу, змащення. Керування формою гвинтового

каналу може забезпечити рівномірність механічних властивостей матеріалу

заготовки.

При цьому відмічено, що в роботах мало уваги приділяється формуванню

структури багатофазних металів та сплавів, які перспективні для відповідальних

деталей машинобудування.

Враховуючи проведений аналіз недоліків робіт попередніх досліджень

сформульовано мету і завдання дослідження.

У другому розділі описано методику виконання дослідження. На основі

узагальнення наукових публікацій, що наведено у першому розділі, в дисертаційній

роботі прийнята основна концепція, яка базується на загальних принципах

технологічної спадковості. Згідно до неї рівень властивостей матеріалу деталей

забезпечується на етапах виготовлення заготовок шляхом формування відповідної

структури металу та наступного формоутворення деталей із заготовок з попередньо

модифікованою структурою. В якості процесу формування властивостей матеріалу

заготовок обраний процес рівноканального ГУП, оснований на принципах гвинтової

екструзії (за роботами Я.Ю. Бейгельзимера) з використанням матриці, форма якої

запропонована автором (патент України на корисну модель № 64346 від 10.11.11р.).

Для проведення теоретичного аналізу процесів формоутворення пластичного

деформування використані загальні рівняння теорії пластичної течії в механіці

суцільних середовищ, які на основі заданої кінематичної моделі у вигляді компонент

вектора швидкостей переміщення часток металу в осередку деформацій дозволяють

визначити напружено-деформований стан та енергосилові параметри процесу

деформування. Оптимізація поля швидкостей переміщень виконана з

використанням екстремальних принципів теорії пластичних деформацій.

Для аналізу процесів деформування СНМ використано структурно-

феноменологічний підхід, який полягає в тому, що при теоретичному аналізі

7

процесу деформування на макрорівні використано феноменологічний підхід.

Модель деформуємого матеріалу, що встановлює функціональний зв'язок

усереднених інтенсивностей напружень і деформацій, визначалась

експериментально. Аналіз НДС на мікрорівні та кінематика руху дисперсних

компонент визначалась чисельними методами на мікрорівні з урахуванням реальних

моделей матеріалів компонент квазікомпозиційного сплаву Ti-TiBn.

Оцінка достовірності математичних моделей, прийнятих гіпотез та припущень

була підтверджена чисельним розрахунком і натурним експериментом. Чисельне

моделювання виконане з використанням CAD/CAE DEFORM – 3D та Abaqus.

Забезпечення точності розрахунків досягалося квазідинамічною постановкою задачі

з використанням кривої істинних напружень, що задано таблично, для температури

деформування металу.

Методика експериментальних досліджень передбачала встановлення основних

закономірностей процесу формування заготовок з гомогенних (одно- та двохфазних)

сплавів та СНМ а також перевірку розроблених математичних і чисельних моделей

процесу ГУП по деформаційним та силовим параметрам.

Для реалізації процесу рівноканального ГУП спроектована та виготовлена

установка для ізотермічного пересування до температур 550С, яка забезпечує

постійну температуру заготовки при пресуванні на гідравлічному пресі та

автоматизований замір основних параметрів процесу. Для пресування заготовок при

температурах 900-950С на фрикційному прес-молоті було спроектовано та

виготовлено оснащення для реалізації процесу ГУП. Розігрів до даних температур

здійснюється за рахунок зовнішнього нагрівання. Умови пресування були наближені

до ізотермічних. Оцінка підвищення механічних властивостей та трансформацію

структури виконувалась за допомогою металографічних досліджень та випробувань

на розтяг, стиск та твердість. Визначення основних параметрів якості виконувалась

за допомогою використання стандартних методик на сертифікованому обладнанні.

Відпрацювання процесу пресування лопаток ГТД в умовах близьких до

ізотермічних виконано на серійному пресовому обладнанні у виробничих умовах.

У третьому розділі виконано теоретичний аналіз процесу ГУП гомогенних та

структурно-неоднорідних матеріалів з використанням теорії пластичної течії та

чисельного моделювання.

В теоретичному аналізі процесу ГУП прийняті загальні припущення, щодо

кінематичних особливостей руху заготовки поздовж каналу матриці (рис.1):

заготовка при деформуванні рухається вздовж осі каналу матриці OZ з швидкістю

V0, яка визначається швидкістю руху інструмента-пуансона; в випадку

рівноканального ГУП швидкість V0 визначає переміщення всіх матеріальних часток

заготовки в напрямку осі OZ. Враховуючи, що в усіх поперечних перерізах каналу

матриці площа постійна, то деформація заготовки відбувається в площині ro. Тому

швидкість матеріальних часток заготовки на протязі всього каналу матриці в

напрямку осі ОZ постійна; в випадку рівноканального ГУП з редукуванням

заготовки на етапі її виходу з робочої частини матриці, швидкість переміщення

часток в напрямку осі OZ до виходу з матриці постійна і дорівнює V0. В результаті

редукування (обтиску заготовки) на виході з матриці швидкість переміщення

8

матеріальних часток в напрямку осі OZ збільшується у відповідності до ступеня

обтискання при редукуванні.

В процесі руху заготовка в напрямку осі OZ змінює форму – деформується.

Схема руху заготовки в напрямку осі OZ наведена на рис. 1. При цьому в процесі

формоутворення заготовки на робочій поверхні матриці можна виділити характерні

зони, які відрізняються особливостями деформування:

а) Зона І. Заготовка в процесі руху змінює форму поперечного перерізу, при

цьому початковий поперечний переріз в формі круга за рахунок деформації

перетворюється в форму еліпса з співвідношенням головних діагоналей 0,76.

Заготовка проходить цю зону за час 0

1

V

ht І ; (1)

б) Зона ІІ. Заготовка еліптичної форми проходить по гвинтовому каналу матриці.

Гвинтовий поворот заготовки відбувається на кут близький 90. Час проходження

заготовки в цій зоні 0

2

V

ht ІІ ; (2)

в) Зона ІІІ. Заготовка в процесі руху вздовж третьої зони змінює форму

поперечного перерізу. Таким чином, що початковий поперечний еліптичний переріз,

який отримано при деформуванні в зоні І, набуває форму круга еквівалентної площі

поперечного перерізу. Заготовка проходить цю зону за час 0

3

V

ht ІІІ . (3)

В результаті проходження цих зон реалізується процес рівноканального ГУП.

На виході заготовка має габаритні розміри, які відповідають початковим розмірам

заготовки (рис. 1 – суцільна лінія контуру матриці).

В випадку створення додаткового осьового стиску заготовки використовують

редукування на наступному етапі (зона IV) за рахунок зменшення діаметру

Рис. 1 Схема руху заготовки поздовж каналу матриці

9

поперечного перерізу з d0 до dр (рис. 1 – штрихова лінія контуру матриці). Заготовка

проходить цю зону за час 0

4

V

htІV . (4)

При проходженні заготовкою робочого каналу матриці накопичена

деформація визначається сумарною по зонам деформацією за час проходження її

поздовж осі матриці

k t

t

kij

k

k

dt1

ij

1

e , (5)

де kij - компоненти тензора швидкостей деформацій заготовки в k -й зоні (k=1, 2,

3); kt - час проходження заготовкою відповідних зон.

Для можливості коректного виконання рівняння (5) аналіз процесу виконано у

єдиній для всіх зон – циліндричній системі координат.

В зоні І заготовка змінює форму поперечного перерізу з круга на еліптичну в

наслідок деформування. В цьому випадку компоненти тензора швидкостей

деформацій:

.0;0;0

;13

2cos2sin

12

5

3

5

2

2sin3

;12

2sin51

2

2cos3

;12

2sin51

2

2cos3

zr

4

10

42

4

10

24

2

10

2

10

0

4

10

24

2

10

2

10

0

4

10

24

2

10

2

10

0

zzz

r

rr

tVR

r

tVR

r

tVR

r

tVR

V

tVR

r

tVR

r

tVR

V

tVR

r

tVR

r

tVR

V

(6)

Швидкість зміни контуру поперечного перерізу V1 зв’язана з відомою

швидкістю деформування V0 геометричним параметром профілю матриці – кут

нахилу стінки () в зоні І tgVV 01 .

Графічно розподіл компонент тензора швидкості деформацій та інтенсивність

накопичених деформацій в зоні І показано на рис. 2.

а)

б)

в)

Рис. 2. Залежність швидкості деформацій rr , (а) та r (б) а також інтенсивність

деформацій еі (в) від координат в зоні І

Розрахунок показує, що максимальна величина інтенсивності деформацій

складає 11,0 - 12,5%.

В зоні ІІ заготовка еліптичної форми, проходить по гвинтовому каналу

матриці постійного еліптичного перерізу. При цьому гвинтовий поворот заготовки

відбувається на кут близький до 90. Гвинтова твірна каналу має постійний кут

нахилу до вісі паралельній OZ на його поверхні.

10

В роботах Бейгельзимера Я.Ю. та Кулагіна Р.Ю. показано, що при гвинтовій

екструзії, кінематично можливими є два граничних механізми течії матеріальних

часток металу.

Перший граничний механізм описується гвинтовим полем. У другому

граничному механізмі матеріальні частки металу рухаються поздовж осі екструзії з

подоланням виступів гвинтової поверхні, як перешкод. Реальна течія металу

реалізується, як комбінація розглянутих варіантів та може бути визначена за

допомогою варіаційних принципів теорії пластичності.

Оцінка, що проведена в роботі, показує, що менше напруження течії при

простому зсуві (перший варіант) в порівнянні з розтягом та стиском (другий

варіант), робить більш енергетично вигідним течію по першому варіанту.

Враховуючи не значну довжину гвинтової зони ІІ, вважаємо, що деформація в

цій зоні розвивається за рахунок тільки зсуву при русі матеріалу по гвинтовій

траєкторії, що задається робочою поверхнею матриці.

Відносно деформівного стану вважаємо, що, внаслідок постійності площі

поперечного перерізу, деформації повздовж осі OZ відсутні, а швидкість

матеріальних точок металу повздовж осі не залежить від координати Z.

Деформування реалізується за рахунок повороту поперечних перерізів у

відповідності до руху металу повздовж гвинтової твірної. Тоді швидкість

матеріальних точок в площинні перерізу не залежить від координати , а

компоненти тензору швидкостей деформацій:

rRl

tgVozr

rz

. (7)

Аналіз (7) показує, що деформації зсуву розвиваються в площині z, а їх

величина пропорційна куту гвинтової твірної . Максимальна величина деформацій

співпадає з периферійними зонами. Величина їх знижується до нуля на осі каналу,

що визначає нерівномірність деформацій по поперечному перерізу заготовки.

В зоні ІІІ заготовка змінює форму поперечного перерізу в наслідок

деформування еліптичного перерізу заготовки, що виходить з гвинтової частини

каналу, на форму круга. В процесі деформування виконується умова рівності

площин поперечного перерізу еліптичної та кругової частин заготовки.

По характеру течії металу в зоні ІІІ процес можна розглядати як обернений

відносно до деформування в зоні І. Тому матеріальні частки заготовки

переміщуються в процесі деформування зі швидкістю 13 VV

, а компоненти тензору

швидкостей деформацій можна визначити по аналогії зі співвідношенням (6).

Розрахунок деформацій заготовки після ГУП виконано на основі (5) з

урахуванням основних результатів отриманих для зон І, ІІ, та ІІІ а також методики

теоретичних досліджень.

Розрахункові значення інтенсивності деформацій при проходженні заготовкою

робочого каналу матриці, наведені на рис. 3.

Теоретична залежність, що наведена на рис. 3 (крива 1) є характеристикою

інструменту – матриці. Вона визначає максимальний рівень накопиченої

інтенсивності деформацій по перерізу заготовки після ГУП.

11

Цей рівень залежить від

геометричних параметрів матриці при

ГУП. Він не залежить від механічних

властивостей заготовки, а також виду

матеріалу заготовки, тому визначається

кінематичними особливостями течії

металу в матриці у відповідності до

прийнятої гіпотези, що матеріал

заготовки рухається по гвинтовій

частині каналу без проковзування

поздовж осі каналу. Якщо в дію

вступає механізм проковзування

заготовки поздовж осі матриці, то

величина накопиченої деформації

зменшується відповідно до кривої 3

(рис 3).

Співвідношення кінематичних механізмів деформування може бути враховано

ваговим коефіцієнтом , як це зроблено в роботі Р.Ю. Кулагіна.

Величину вагового коефіцієнта аналітично запропоновано визначити шляхом

мінімізації функціонала питомої роботи деформування зіVа , яка залежить від

компонент вектора швидкостей переміщень зіV :

0Vзі

а , (8)

В роботі оцінка вагового коефіцієнта визначена по реалізації накопиченої

деформації в порівнянні теоретичних та чисельних розрахунків 85,07,0 . Це

підтверджують данні експериментальних вимірів (рис. 3 крива 2).

Для ГУП залежність розподілу інтенсивності деформацій по перерізу

заготовки буде лежати нижче характеристики інструменту (крива 1) та відповідати

кривій 3. Характерною особливістю цієї кривої є практичне співпадіння її з кривою

1 в центрі заготовки, тому що на осі заготовки деформація формується за рахунок

зони І та зони ІІІ, що відповідають за уширяючу складову накопиченої деформації.

Розрахунок протитиску шляхом редукування заготовки (зона IV) проведено в

сферичній системі координат (рис. 4).

Приймаючи граничні умови, що на виході

металу з зони IV при редукуванні одиночної заготовки

протитиск відсутній, отримані вирази для компонент

тензору напружень:

;ln20r

rsrr

0

ln21r

rs

. (9)

При створенні додаткового протитиску пр на

виході з зони редукування граничні умови для

визначення середнього напруження мають вигляд -

при 0rr ; s2 пр , де s - границя текучості.

Величина радіального напруження дорівнює:

Рис. 3. Розподіл інтенсивності деформацій по

поперечному перерізу заготовки після ГУП:

1-теоретична крива; 2 – експериментальна

крива; 3 – теоретична з урахуванням двох

механізмів деформування; 4 – традиційне

гвинтове пресування

Рис. 4. Схема течії металу в

конічній матриці

12

0

ln2r

rsrr

, (10)

Протитиск зони IV при ГУП забезпечує повне заповнення робочого каналу

матриці в зонах І, ІІ і ІІІ, а також, сприяє підвищенню сил тертя між заготовкою та

робочою поверхнею матриці. В результаті цього більш повно реалізується механізм

гвинтового деформування та збільшується величина коефіцієнту . Графічно крива

3 (рис. 3) зміщується в бік кривої 1, що підтверджує більш повну реалізацію

характеристики матриці.

Чисельний розрахунок процесу ГУП виконано САЕ DEFORM – 3D. Аналіз

деформованого стану заготовки для характерних перерізів по висоті (рис. 5)

дозволив встановити, що величина інтенсивності деформацій збільшується по мірі

проходження заготовкою гвинтового каналу на 15-20%, поздовж каналу матриці

(поздовж осі OZ). Додаткову деформацію заготовка отримує при переході з

гвинтової зони ІІ в зону ІІІ.

В напрямку радіальної координати величина інтенсивності

деформацій збільшується від центру до периферії, що

співпадає з теоретичним розрахунком. При цьому на

периферії заготовки величина інтенсивності деформацій

пропорційна довжіні напівосей еліпсу.

Порівняння результатів показує, що величина

співвідношення інтенсивності деформацій на вході та на

виході з каналу матриці в центральній частині заготовки

збільшується швидше, ніж на периферії за рахунок переходу

«круг-еліпс». Це свідчить про те, що накопичена деформація

при використанні ГУП розподіляється по перерізу більш

рівномірно, ніж при класичній рівноканальній гвинтовій

екструзії (див. рис.3, крива 4).

Враховуючи, що якість металу залежить від середнього

напруження, в роботі проведено аналіз розподілу середнього

напруження в заготовці в процесі пресування. Показано, що

максимальна величина середнього напруження стиску

відповідає осі заготовки. Поздовж радіальної координати від

центру до периферії середнє напруження дещо зменшується по величіні. Ці

результати з точністю 20-25% співпадають з аналітичним розрахунком.

Зменшення середнього напруження також спостерігається на виході заготовки

з каналу матриці. При цьому величина середнього напруження стиску може

зменшуватись до величини розтягуючого середнього напруження, що може

привести до руйнування на мікро- та макрорівнях. Зменшення середнього

напруження в цілому приводить до зменшення однорідності механічних

властивостей металу заготовки.

Для підвищення величини середнього напруження стиску використовують

додаткове навантаження протитиском. Розрахунок впливу протитиску на величину

середнього напруження моделювали за рахунок редукування на виході матриці.

Аналіз показує, що величина середнього напруження стиску при використанні

редукування з коефіцієнтом 0,93 в 1,5-1,7 разів більше, в порівнянні без протитиску.

Рис. 5. Розподіл

інтенсивності

деформації εі на

поверхні

здеформованої

заготовки

13

На виході заготовки з каналу матриці спостерігається зменшення середнього

напруження стиску до величини, яка є співрозмірною з величиною питомого

протитиску. Таким чином наявність протитиску забезпечує напруження стиску при

деформуванні заготовки по всьому об’єму.

Розрахунковим шляхом також встановлено, що максимальна величина

накопиченої інтенсивності деформації в периферійній зоні здеформованої заготовки

за один прохід дорівнює 0,7-0,8. Така величина накопиченої інтенсивності

деформацій складає 74-85 % від теоретичної (характеристики матриці) в

периферійній зоні, що підтверджує наявність механізму проковзування при

деформуванні.

Для підвищення величини накопиченої

деформації заготовку обробляють за декілька

проходів. На рис. 6 показані результати розрахунку

накопиченої деформації заготовкою при

деформуванні за три проходи.

Аналіз показує, що після обробки великі

інтенсивності деформації поширюються на глибину

в заготовці близько 35-45% від радіусу, що

відповідає 70-90% по об’єму заготовки. Наявність

таких деформацій викликає значні структурні зміни

матеріалу заготовки.

Чисельними методами з використанням програми САЕ Abaqus–2D виконано

моделювання процесу деформування СНМ для вивчення особливостей взаємодії

дискретних твердих компонентів з матеріалом пластичної матриці (основного

сплаву), що актуально для деформування евтектично-зміцнених сплавів. При

моделюванні температура деформування та механічні властивості відповідали

властивостям матриці основного металу. При вивченні впливу механічних

властивостей дисперсного компонента, вважали, що він деформується пружньо та

має модуль пружності в 3 – 4 рази більше ніж матеріал сплаву матриці.

Для моделювання в якості основи матриці СНМ був обраний алюмінієвий

сплав АД 33, а матеріал дисперсних компонентів – сталь ВНС 3.

Розглянуто деформування СНМ, що має три типи компонент з поперечною

формою у вигляді квадрату, ромбу та кругу. Моделюванню стиском підлягав

елементарний об’єм СНМ, що має три однакових дискретних твердих компоненти.

Встановлено, що максимальні деформації в СНМ виникають на осі

розташування дисперсних включень (ДВ), це співпадає з результатами робіт

Анциферова В.М., Кривова Г.А., Тітова В.А. для круглої форми дисперсних

волокон. При цьому мінімальна величина деформацій відповідає дисперсному

компоненту у формі круга (14-16%), а максимальна – квадрату (20-25 %) при

загальній деформації елементарного об’єму 8,5%. На поверхнях ДВ квадратної

форми виникають зони утрудненої деформації. Нерівномірність деформацій між ДВ

складає для круглої форми 1,6-1,7%; квадратної 2,4-2,9%; ромбічної 1,7-2,4%.

Встановлено також, що деформації дисперсних компонент (сталі ВНС-3)

будуть більшими для квадратної форми. Так ступінь деформації ДВ квадратної

форми складає 0,16-0,49%, ромбовидної – до 0,1% та круглої - до 0,5%. Враховуючи

Рис. 6. Залежність розподілу

інтенсивності деформації εі в

перерізах

14

незначний ступінь деформації волокон у

подальших розрахунках їх моделювання

будемо приймати у вигляді абсолютно

твердого тіла.

Враховуючи, що для евтектично-

зміцнених сплавів форма ДВ може бути

довільною, то нерівномірність деформацій

може знаходитись в інтервалі значень 1,6 -

2,9. Враховуючи це, розглянуто вплив

напруженого стану на процес

деформування та взаємодії компонент.

На рис. 7 показано розподіл

інтенсивності напружень на граничній

поверхні СНМ з різною формою ДВ.

Аналіз показує, що наявність гострих

кутів (квадратна та ромбовидна форма)

викликає концентрацію напружень в місці їх знаходження, що може призвести до

руйнування матеріалу в цілому. Тому для уникнення руйнування необхідно в

процесах деформування створювати гідростатичний стиск в осередку деформування

СНМ з дискретними включеннями.

Чисельним методом з використанням програми

САЕ Abaqus–2D виконано моделювання процесу

прямого пресування заготовки з жорстким

включенням. Розглянуто динаміку переміщення

окремого ДВ при пластичній деформації суцільного

матеріалу матриці. Кінематика руху ДВ в осередку

деформації показана на рис. 8, де 1, 2, 3, 4, 5, 6 –

етапи руху ДВ в часі у напрямку пресування.

Зміна положення ДВ в процесі руху металу в

напрямку пресування пов’язана зі зміною швидкості

руху металу Vi в осередку деформації, а також

діючими напруженнями на граничній поверхні

«основний метал-включення».

На рис. 9-12 показано розподіл основних

компонент тензора напружень в мікрооб'ємі на граничних поверхнях S1 та S2

включення на проміжному етапі 4.

Компоненти напружень x і y являються стискаючими, їх розподіл по поверхнях

S1 та S2 нерівномірний. Еквівалентні результуючі сили від дії напружень1

y

s

i dsF

прикладених до поверхонь S1 та S2 на деякій відстані m створюють момент,

результатам якого є поворот ДВ. Поворот включення відбувається в тому випадку,

якщо при течії металу є градієнт швидкостей переміщень матеріальних часток в

поперечному перерізі осередку деформацій, який створюється градієнтом

напружень y в поперечному перерізі в макрооб’ємі осередку деформацій.

а) б) в)

Рис.7. Розподіл інтенсивності напружень у

елементарному об’ємі СНМ та графік

розподілу інтенсивності напружень в

поверхневому шарі ДВ: а – квадратної

форми; б – ромбовидної форми, в –

круглої форми

а) б)

Рис. 8. Кінематика руху дисперсного включення пресування (а) та визначення характерних поверхонь ДВ (б)

15

а) б)

Рис.9 Розподіл напружень σх на границях S1 (а) и S3 (б)

а) б)

Рис.10 Розподіл напружень σy на границях S1 (а) и S3 (б)

а) б)

Рис. 11. Розподіл напружень σz на границях S1 (а) и S3 (б)

а) б)

Рис.12. Розподіл напружень τxy на границях S1 (а) и S3 (б)

Дотичні xy і

x нормальні напруження на поверхнях S1 та S2 мають високий

градієнт, це призводить до виникнення розтягуючих нормальних напружень y на

кінцях включень. Ці напруження можуть приводити до руйнування матриці на

граничній поверхні і відриву металу матриці від включення.

Було визначено, що в процесі гарячої пластичної деформації стискаючі

напруження на поверхні дисперсних включень сприяють «залікуванню»

мікротріщин, які утворилися. Збільшенню середніх напружень стискання сприяє

використання протитиску. При створенні протитиску величиною 600 МПа, величина

середнього напруження по поверхнях S1 та S2 збільшується приблизно в 2 рази та

вирівнюється по перерізу включення. При цьому середній тиск на торцях включення

збільшується більш інтенсивно – в 2,2-2,3 рази. В процесі деформування з

протитиском збільшується ступінь стискання і по окремим компонентам тензора

напружень на поверхнях включення. При цьому на поверхнях включення,

практично, відсутні зони розтягуючих напружень.

В результаті чисельного моделювання обґрунтовано механізм переорієнтації в

напрямку течії металу твердих армуючих включень, які характерні для

16

квазікомпозиційних евтектично-армованих матеріалів.

У четвертому розділі наведені результати експериментального дослідження

процесу формування механічних властивостей та структури сплавів ливарного

алюмінієвого сплаву АК7, алюмінієво-літієвого сплаву 1420, сплаву системи Zr-Nb

та титанового сплаву системи Ті-TiBn методом ГУП.

Відповідно до методики заготовки з алюмінієвих сплавів пресувались в

ізотермічних умовах на гідравлічному пресі ПД -476, а заготовки з титанового та

цирконієвого сплавів пресували в умовах близьких до ізотермічних на гвинтовому

фрикційному пресі ФА-124 в штампі, що попередньо нагрівався до температури

деформування. Заготовки попередньо нагрівали в печі моделі СНОЛ 30/1300.

Пресування виконували у гвинтовій матриці з редукуванням вихідного каналу

матриці 93%. Кількість операцій повторного

пресування визначало ступінь деформації

заготовки.

На рис. 13 наведена діаграма залежності

зусилля пресування від переміщення

пуансону для алюмінієвого сплаву 1420 при

температурі пресування 420 ±5С.

Максимальна похибка визначення зусилля

теоретичним та чисельними методами по

відношенню до експерименту не перевищує

12-14%.

Для оцінки інтенсивності деформацій в

роботі використано метод аналізу

деформацій по заміру твердості матеріалу,

основи якого розроблені Г.Д. Делем, Г.О. Смірновим-Аляєвим, В.А. Огородніковим

та іншими. Показано, що величина твердості підвищується при збільшенні ступеню

накопиченої деформації, а максимальна твердість досягає в периферійній зоні. При

наступних переходах величина твердості збільшується. При цьому різниця

відносних значень твердості між центром і периферією зменшується. Це

пояснюється додатковим розповсюдженням деформацій зсуву від периферії до

центру.

На рис. 14 наведено порівняння мікроструктури ливарного алюмінієвого

сплаву АК7 в центральній та крайовій зонах в залежності від накопиченої

деформації після декількох

проходів. Показано, що вже

після третього переходу в

центральній зоні величина

накопиченої деформації

приблизно дорівнює

величині деформації після

першого проходу у крайовій

зоні.

Рис. 13. Залежність зусилля

пресування від переміщення пуансону для

алюмінієвого сплаву 1420: 1 -

експериментальна; 2 – теоретична; 3 –

розрахункова чисельними методами

Рис. 14. Вплив деформації на структуру матеріалу заготовки

після ГУП для одного (1), двох (2), трьох (3) проходів

17

В результаті деформаційної обробки відбувається подрібнення структурних

складових, а ступінь подрібнення кристалічної структури для всіх досліджуваних

матеріалів зростає від центру до бічної поверхні зразка пропорційно до ступеню

накопиченої деформації (рис. 15). Деформовані зерна орієнтуються в напрямку течії

металу.

У периферійній зоні в зразках вже після двох циклів деформаційної обробки ГУП

(рис. 15). спостерігається

характерна деформована зона

товщиною приблизно 5 мм. В

результаті трьох циклів

деформаційної обробки

ширина периферійної зони

збільшується до 7 мм, що

відповідає приблизно 70%

площі поперечного перерізу

зразка. Таким чином

деформації зсуву

розповсюджуються від

периферії заготовки до центру

з кожним циклом обробки

заготовки ГУП. Аналогічні

результати отримані також для

зразків сплаву Zr-1%Nb.

Для титанового сплаву

системи Ті-TiBn встановлено,

що в результаті пластичної

деформації ГУП відбувається

подрібнення твердої фази TiBn.

В результаті цього розмір

часток ТіВn зменшується в 1,5-

3,0 рази в шарах близьких до

периферії і в центральній зоні

1,1-1,3 рази. Елементи твердої

фази приймають упорядковане

розташування в напрямку

примусових градієнтів деформацій зсуву. На границях злому твердої фази ТіВn

відбувається заліковування пошкоджень, оскільки подрібнення виникає в умовах

всебічного стиску при гарячій пластичній деформації.

Механічні властивості на стиск визначені на зразках зі сплаву АК7 і 1420

відповідно до ГОСТ 25.503 – 97, а також на зразках зі сплаву Zr-Nb і Ti-TiBn при

дослідах на розтяг відповідно до ГОСТ 1497 – 84.

Результати дослідження механічних властивостей показують, що після

деформування величина міцності підвищується: для сплаву АК7 глобулярної

структури після першого проходу на 13-15%, після другого проходу на 18-20%,

після третього на 23- 25%: для сплаву 1420 після першого проходу на 15-18%, а

Центр

Край

а

б

в

г

Рис. 15 - Вплив інтенсивних пластичних деформацій

обробки на структуру металу в осьовій площині

литих зразків із сплаву АК7:а, б, в, г - кількість

циклів обробки 0, 1, 2 і 3 відповідно

а

б

в

г

18

після другого проходу на 19-24%; для сплаву системи Zr-Nb після першого проходу

на 10-12%, а після другого проходу на 15-17%; для сплаву системи Ti-TiBn після

першого проходу на 10-13%, а після другого проходу на 16-17%. При цьому

відносне подовження зразків при одноосному розтягуванні практично не

змінюється.

Однорідність механічних властивостей сплавів визначалась за методом

академіка А.О. Лебедєва. Величина однорідності визначалась коефіцієнтом

гомогенності – m по формулі Гумбеля.

На рис. 16 наведено залежність коефіцієнту гомогенності від кількості

переходів для зразків алюмінієвого багатофазного сплаву АК7 після ГУП. Показано,

що після першого переходу пресування величина коефіцієнта гомогенності значно

збільшилася, це пояснюється

усуненням ливарних дефектів

структури і подрібнення

дендритних зерен на зовнішній

поверхні зразка. Неоднорідність

матеріалу зразка зменшилася до

15-17 % в порівнянні з вихідною

структурою неоднорідність

механічних властивостей по

перерізу заготовки склала 19-23%.

На наступних переходах

пресування спостерігається

зменшення коефіцієнта

гомогенності, при цьому вже на

третьому переході його величина

знизилася до величини, характерної литої структури. При цьому на кожному з

наступних переходів збільшується однорідність (рівномірність розподілу твердості

по перерізу заготовки). А саме, нерівномірність механічних властивостей досягає

13-15% на другий переході і на третьому - 5-7%. Це відбувається за рахунок

поширення накопичених деформацій зсуву від периферії до центру заготовки.

Експериментально показано також, що незважаючи на зменшення коефіцієнта

гомогенності, рівень механічних властивостей підвищується до 25 %.

Для багатофазного алюмінієво-літієвого сплаву 1420 вже після першого

переходу знижується рівень значень коефіцієнта гомогенності за рахунок

накопичення деформаційних дефектів. Одночасно з цим відбувається зниження

неоднорідності матеріалу до 10-12% між крайовою та центральною зонами зразка в

порівнянні з вихідною - 13-15 %. Така ж тенденція зберігається для подальшого

другого переходу - 5-8%. При цьому зменшення коефіцієнта гомогенності

супроводжується збільшенням твердості матеріалу зразка на - 18-22 %. Відсутність

ефекту підвищення коефіцієнту гомогенності при першому пресуванні зразків зі

сплаву 1420 свідчить про відсутність ливарних дефектів у вихідному матеріалі.

Величина коефіцієнту гомогенності для цирконієвого однофазного сплаву

системи Zr-Nb підвищується пропорційно ступеню деформації зсуву. Так після

першого переходу ГУП величина коефіцієнту гомогенності збільшується по

Рис. 16 Залежність коефіцієнту гомогенності заготовки

поздовж радіальної координати після: 1 – без

обробки; 2 – першого проходу; 3 – другого

проходу; 4 - третього проходу

19

поперечному перерізу зразка в центральній зоні - на 5-6%, а в крайовій зоні – на 21-

23%. Як показують додаткові дослідження, тенденція збільшення однорідності

зберігаються при наступному деформуванні, що характерно для однофазних сплавів.

Для титанового сплаву системи Ті-ТіВn в процесі формоутворення

спостерігається подрібнення фази TiBn і деяка переорієнтація цих структурних

компонент у напрямку максимальних градієнтів деформацій. Величина подрібнення

пропорційна величині деформацій зсуву. Оскільки подрібнення відбувається в

умовах гарячої пластичної деформації титанової фази, на границях зламу твердої

фази TiBn відбувається заліковування пошкоджень. Таким чином збільшення площі

поверхні твердої фази сприяє збільшенню кількості зон гальмування дислокацій і

підвищенню ступеня пошкодженості. Цим можна пояснити значне зменшення

величини коефіцієнта гомогенності, а також його переважне зменшення в крайовій

зоні - зоні максимальних деформацій зсуву на першому переході. При цьому

експериментальні значення твердості матеріалу зразків після першої обробки

підвищуються в середньому на 8-11%.

У п’ятому розділі виконано експериментальне обґрунтування ефективності

комплексного двохстадійного технологічного процесу пресування заготовок

лопаток компресора з гомогенного титанового сплаву ВТ 8 та СНМ системи Ті-ТіВn.

На першій стадії виконувалась обробка вихідних заготовок в умовах деформацій

зсуву ГУП для забезпечення рівномірної дрібнозернистої структури, а на другій

стадії – пресування профільованої заготовки лопатки.

Реалізація дослідного процесу пресування заготовок лопаток виконано в

промислових умовах на кривошипному пресі зусиллям 1000 кН (рис. 17) з

використанням серійного оснащення в умовах близьких до ізотермічних.

Виконано дослідження впливу температури пресування на якість заготовки

лопатки в інтервалі температур 850 С, 890 С, 930 С. Показано, що при

температурі 930 ±15 С, яка є верхньою границею інтервалу штампування основного

сплаву, відбувається повне заповнення по довжині пера та радіусних ділянок пера та

хвостовика.

а) б)

Рис.17 Прес (а) та оснащення (б) для пресування заготовок робочих лопаток

Проведено аналіз основних закономірностей формоутворення пера лопатки

при пресуванні чисельними методами. Показано, що з кінематики течії металу

область деформування можна розділити на 4 характерні зони (рис. 18, а). Зони І та

ІV це зони утрудненої деформації де метал практично не деформується в наслідок

впливу сил тертя та конструктивних особливостях деталі.

20

Інтенсивна течія металу відбувається в зоні ІІ, а максимальна швидкість течії

досягає в зоні ІІІ – зоні переходу металу в порожнину пера лопатки, де формується

зона сталої течії металу. Збільшення швидкості течії металу до пера лопатки

призводить до зменшення величини середнього напруження стиску.

Встановлено, що зі збільшенням коефіцієнту тертя в зоні контакту заготовки

та матриці, яка обмежена радіусом переходу від замкової частини до пера лопатки,

зменшуються розтягуючі осьові напруження (рис. 18) за рахунок збільшення

середнього напруження.

Для характерних зон деформування заготовки було проведено дослідження

структури металу.

Металографічний аналіз евтектично-зміцненего титанового сплаву системи

Ті-ТіВn в вихідному стані, після ГУП і для характерних зон поперечного перерізу

зразка лопатки представлено на рис. 19 – 20.

На рис. 19, а наведена вихідна структура литого металу. В ній спостерігається

хаотичне виділення евтектичної складової. В зонах гальмування І та ІV метал має

структуру, близьку до структури вихідної заготовки, яка сформована при ГУП (рис.

19 б, в).

а)

б)

в)

Рис. 19. Мікроструктура металу вихідної заготовки (а); заготовки після ГУП в

поздовжньому напрямку (б) та в поперечному напрямку (в)

В деформованих зонах II і III інтенсивної течії включення TiBn додатково

подрібнюються і орієнтуються в напрямку течії металу (рис. 20, а), в зоні галтелей

спостерігається чітка орієнтація боридної складової у напрямку течії металу (рис.

20,б). Наявність в цих зонах середнього напруження стиску, як показали чисельні

розрахунки, забезпечує суцільність матеріалу при ізотермічному пресуванні.

Металографічні дослідження поверхні шліфів після травлення показали

відсутність пошкодження суцільності матеріалу на граничних поверхнях. Тверда

а)

б)

в)

г)

Рис. 18 Характерні зони поперечного перерізу зразка лопатки (а) та розподіл осьових

напружень z при коефіцієнті тертя - 0.3 (б), коефіцієнті тертя - 0.1 (в), коефіцієнті

тертя – 0.08 (г).

21

фаза в результаті пластичної деформації подрібнюється в замковій частині та в

металі пера лопатки в 2,5-5,5 разів.

а)

б)

в)

Рис. 20. Мікроструктура металу в замковій зоні ІІ течії (а), в зоні радіусу переходу від

замкової частини до пера лопатки (б) та в зоні пера лопатки

Аналіз механічних властивостей показав, що в порівнянні з литою структурою

(1300 МПа) межа міцності збільшується до 1500-1550 МПа в тілі пера лопатки і до

1420-1460 МПа в замковій частини, тобто механічні властивості для пера лопатки

зростають на 10-16%, а для замкової частини - на 17-20%.

На основі узагальнення теоретичних та експериментальних результатів, які

отримані в дисертації, розроблені технологічні рекомендації щодо реалізації

процесів ГУП та процесу ізотермічного пресування заготовок лопаток. Результати

роботи впроваджено на підприємствах ДП «Івченко-Прогрес» та АТ «Мотор Січ».

Очікуваний економічний ефект від впровадження склав 135,0 тис. грн. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Обґрунтована та вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення

механічних властивостей деталей (лопаток ГТД) з гомогенних та структурно-

неоднорідних металів. На основі аналізу вітчизняних та закордонних публікацій

розроблена та обґрунтована структура процесу забезпечення механічних

властивостей деталей з урахуванням технологічної спадковості: на попередніх

стадіях виконують формування дрібнокристалічної структури металу пластичним

деформуванням заготовки при ГУП (патент України № 64346 від 10.11. 2011р.) в

умовах великих деформацій зсуву, а на другій стадії - штампування деталі з цієї

заготовки.

2. З використанням теорії пластичної течії розроблено математичну модель

процесу ГУП, яка описує поле швидкостей переміщення матеріальних часток в

осередку деформацій з використанням просторово-часової системи координат, що

дозволило зв'язати параметри процесу деформування заготовок з формою каналу

матриці. Отримана теоретична залежність розподілу максимального рівня

накопиченої інтенсивності деформацій по перерізу заготовки після ГУП

(характеристика інструмента матриці), яка залежить від геометричних параметрів

матриці. Показано, що збільшення еліптичності поперечного перерізу каналу

матриці знижує різницю накопиченої деформації та відносних значень твердості між

центром та периферією.

3. Встановлено, що величина накопиченої деформації має максимальну

величину в периферійній зоні, а до центру заготовки знижується, але в меншій мірі,

ніж при звичайному гвинтовому пресуванні. При наступних проходах величина

збільшується, при цьому різниця відносних значень між центром і периферією

22

зменшується за рахунок уширяючої складової, тобто деформації зсуву розвиваються

від периферії до центру, що підтверджують чисельний розрахунок процесу ГУП з

використанням САЕ DEFORM – 3D та натурним експериментом по визначенню

твердості зразка. Похибка визначення інтенсивності деформації аналітичним,

чисельним та експериментальними методами не перевищує 15-20%.

4. В результаті чисельного моделювання в САЕ Аbaqus -2D процесу

деформування СНМ з різною формою компонентів (квадрат, ромб та круг)

встановлено, що локалізація деформацій виникає на осі розташування дисперсних

компонент, а їх мінімальна величина відповідає формі круга (14-16%), а

максимальна – квадрату (20-25 %) при загальній деформації елементарного об’єму

8,5%. Показано, що на поверхнях ДВ квадратної форми виникають зони утрудненої

деформації, на яких діють розтягуючі напруження, що можуть призвести до

руйнування матеріалу, для уникнення якого необхідно створювати гідростатичний

стиск в зоні деформування. Використання протитиску ефективно збільшує середній

тиск на торцях включення, що усуває зони розтягуючих напружень. Визначено, що в

процесі гарячої пластичної деформації стискаючі напруження на поверхні

дисперсних включень сприяють «залікуванню» мікротріщин, які утворились.

5. Показано, що в результаті деформаційної обробки відбувається подрібнення

зерен, а ступінь подрібнення кристалічної структури для всіх досліджених

матеріалів зростає від центру до периферії пропорційно величині накопиченої

деформації. Здеформовані зерна орієнтуються (витягуються) в напрямку течії

металу. Після ізотермічного ГУП величина границі міцності підвищується для

сплаву АК7 на 18-20%, для сплаву 1420 відповідно 19-24%, а для сплаву Zr-1%Nb

відповідно 15-17%. При цьому відносне подовження зразків при одноосному

розтягуванні, практично не змінюється.

6. Встановлено, що в результаті пластичної деформації ізотермічного ГУП

відбувається подрібнення твердої керамічної фази TiBn. В результаті цього розмір

часток TiBn зменшується в 1,5-3,0 рази в шарах близьких до периферії і в

центральній зоні в 1,1-1,3 рази. Елементи твердої фази приймають упорядковане

розташування в напрямку максимальних градієнтів деформацій зсуву. На границях

злому твердої фази TiBn відбувається залікування пошкоджень при всебічному

стиску в умовах гарячої пластичної деформації.

7. Проведено експериментальну оцінку однорідності механічних властивостей

по перерізу заготовки з використанням коефіцієнта гомогенності за методом

академіка А.О. Лебедєва. Встановлено, що для однофазних металів і сплавів

деформування ГУП підвищує ступінь однорідності. Вперше показано, що для

двохфазних сплавів зі збільшенням ступеня деформації зменшується величина

коефіцієнта гомогенності, при підвищенні рівномірності ступеня його розподілу по

перетину. При цьому встановлено, що для литого двохфазного сплаву після першого

проходу деформації величина коефіцієнта гомогенності збільшується на 10-12%.

Вперше показано, для двохфазного матеріалу системи Ti - TiBn ефект збільшення

характеристик розсіювання твердості виявляється більшою мірою за рахунок,

збільшення кількості зон гальмування дислокацій під час деформування на

граничних поверхнях твердої евтектичної фази в зв'язку з її подрібненням. При

цьому абсолютне значення твердості також збільшується.

23

8. Експериментально обґрунтована ефективність комплексного двохстадійного

технологічного процесу пресування заготовок лопаток компресора з гомогенного

титанового сплаву ВТ 8 та евтектично-зміцненого СНМ системи Ті-ТіВn. Показано,

що реалізація процесу забезпечує підвищення механічних властивостей по

відношенню до литої структури на 10 - 16% в замковій частині пера лопатки, а в

тілі пера лопатки – на 12 – 17%. Експериментально підтверджено, що в зоні пера

лопатки формується дрібнозерниста структура з направленою орієнтацією.

9. Розроблено технологічні рекомендації по реалізації процесів ГУП та

формуванню заготовки пера лопатки. Результати роботи впроваджені на АТ «Мотор

Січ» (м. Запоріжжя) та Державному підприємстві «Івченко-Прогрес» (м.

Запоріжжя). Очікуваний економічний ефект від впровадження склав біля 135,0 тис.

грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тітов В.А. Аналітична оцінка інтенсивності деформацій металу у гвинтовому

каналі /В.А. Тітов, Н.К. Злочевська // Вісник Національного технічного університету

України “Київський політехнічний інститут”, серія “Машинобудування” - 2007.

№ 50. - С. 146 – 149 (Входить в НМБ РІНЦ).

2. Добровлянський С.М. Установка для дослідження пресування в ізотермічних

умовах /С.М. Добровлянський, П.С. Вишневський, С.Ф. Калантир, Н.К. Злочевська

// Вісник Національного технічного університету України “Київський політехнічний

інститут”, серія “Машинобудування” – 2009. - № 56. - С. 189-192. (Входить в НМБ

РІНЦ). 3. Титов В.А. Определение эффективных упругих характеристик композитов с

несовершенным контактом компанентов / В.А. Титов, Н.К. Злочевская // Наукові нотатки Луцького национального технического университета Міжвузівський збірник (за напрямом «Інженерна механіка») – 2009.- № 25, частина ІІ. С. 276-280.

4. Добровлянський С.М. Розробка системи виміру та методики тарування датчика

зусилля/ С.М. Добровлянський, П.С. Вишневський, С.Ф. Калантир, Н.К. Злочевська

Є.В. Честнов // Вісник Національного технічного університету України “Київський

політехнічний інститут”, серія “Машинобудування” – 2009. - № 57. - С. 208-210.

(Входить в НМБ РІНЦ). 5. Титов В.А. Моделирование процессов пластического деформирования

композиционных материалов с учетом топологических особенностей структуры /В.А. Титов, Н.К. Злочевская, О.В. Алексеенко // Обработка материалов давлением.– 2009. - №2(21). С. 106-114.

6. Тітов В.А. Деякі особливості пластичного деформування металевих

композиційних матеріалів з армуючими компонентами довільної форми / В.А. Тітов,

А.Д. Лавріненков, Н.К. Злочевська // Вісник Національного технічного університету

України “Київський політехнічний інститут”, серія “Машинобудування” – 2010.-

№ 59. - С.135-139. (Входить в НМБ РІНЦ).

7. Тітов В.А. Особливості процесів формоутворення заготовок лопаток з

титанового сплаву системи Ti – TiВ2 / В.А. Тітов, О.Я. Качан, О.Г. Моляр, Ю.С.

Кресанов, Н.К.Злочевська // Вісник Національного технічного університету України

24

“Київський політехнічний інститут”, серія “Машинобудування” – 2011. - № 61. -

С.95-101. (Входить в НМБ РІНЦ).

8. Семенченко А.И. Изотермическое прессование литых заготовок из сплава

АК7ч / А.И Семенченко, Н.К. Злочевская, А.Г. Вернидуб, Л.К Шеневидько //

Вестник Национального технического университета України “Киевский

политехнический институт”, серия “Машиностроения” – 2011. - № 62.- С.237-241. (Входить в НМБ РІНЦ).

9. Злочевська Н.К. Деякі закономірності формування структурних властивостей

ливарного сплаву АК7ч в умовах інтенсивних пластичних деформацій /

Н.К. Злочевська, В.М. Дука, В.В. Піманов, П.С. Вишневський // Вісник

Національного технічного університету України “Київський політехнічний

інститут”, серія “Машинобудування”. – 2011. - № 62. - С. 251-254 (Входить в НМБ

РІНЦ).

10. Тітов В.А. Дослідження параметрів процесу ізотермічного пресування

заготовок з титанових сплавів / В.А. Тітов, Н.К. Злочевська, А.Д. Лавріненков,

Т.Р. Гараненко // Вісник НТУ «ХПІ». - 2011. - № 46 - С. 67-72 (Входить в НМБ

РІНЦ).

11. Злочевська Н.К. Закономірності формування структурних та механічних

властивостей сплава системи Zr-Nb в умовах інтенсивних пластичних деформацій //

Вісник НТУ «ХПІ». – 2013. – № 43. – С. 114-120. (Входить в НМБ РІНЦ)

12. Тітов В.А. Вплив форми каналу матриці на параметри процесу деформування

заготовок при гвинтовому уширяючому пресуванні / В.А. Тітов, Н.К. Злочевська,

О.В. Герасимова // Вісник Національного технічного університету України

“Київський політехнічний інститут”, серія “Машинобудування”. – 2014. - № 72.

С. 124-129. (Входить в НМБ РІНЦ).

13. Титов В.А. Некоторые особенности механики поведения дисперсного

включения в металлической матрице при больших пластических деформациях /

В.А. Титов, А.Д. Лавриненков, Н.К. Злочевская // Обработка материалов давлением.

– 2012. - № 2(31). - С. 45-52. 14. Титов В.А. Некоторые закономерности формирования структуры и

механических свойств многофазных сплавов в условиях интенсивных пластических

деформаций / В.А. Титов, Н.К. Злочевская, В.П. Ламашевский // Fizică ʂi tehnică:

procese, modele, experimente. – 2013. - №1. ISSN 1857-0437. - С. 15-22. (Іноземне

видання).

15. Титов В.А. Особенности комплексного процесса изготовления заготовок

лопаток из эвтектически упрочненных титановых сплавов / В.А. Титов,

Н.К. Злочевская, А.Я. Качан, И.Г. Савчинский, П.С. Вишневский // Металлург. –

2014. - № 2. - С. 87-92. (Іноземне видання, входить в SCOPUS).

16. Пат 34303 України, МПК В21С25/00. Матриця для гарячого пресування. /

В.А. Тітов, М.С. Тривайло, С.Ф. Калантир, Р.С. Борис, Н.К. Злочевська/ -

№ u200801986; заявл. 18.02.2008; опубл 11. 08. 2008, Бюл.15.

17. Пат. 37997 України, МПК В21С25/00. Матриця для пресування / В.А. Тітов,

М.С. Тривайло, С.Ф. Калантир, Н.К. Злочевська. - № u200801988; заявл. 18.02.2008;

опубл. 25.12.2008 р,. Бюл.24.

25

18. Пат. 40862 України, МПК В21С23/02. Спосіб пресування виробів /

В.А. Тітов, М.С. Тривайло, С.Ф. Калантир, Н.К. Злочевська, В.В. Піманов. -

№ u200813982; заявл. 04.12.2008; опубл. 27.04.2009 р, Бюл.8.

19. Пат. 41526 України, МПК В21С25/00. Спосіб пресування виробів /

В.А. Тітов, М.С. Тривайло, С.Ф. Калантир, Н.К. Злочевська. - № u200814917; заявл.

24.12.2008; опубл. 25.05.2009р., Бюл.10.

20. Пат. 64346 України, МПК В21С25/00 Матриця для зміцнення матеріалу при

багаторазовому пресуванні /В.А. Тітов, М.С. Тривайло, Н.К. Злочевська,

Е.В. Кондратюк, Г.І. Пейчев. - № u201102822; заявл. 10.03.2011; опубл 10.11.2011,

Бюл.21.

21. Пат. 87075 України, МПК В21С23/08 Cпосіб пресування виробів / В.А. Тітов,

М.С. Тривайло, Н.К. Злочевська. - № u201307485; заявл. 12.06.2013; опубл

27.01.2014р., Бюл.2.

22. Пат. 93122 України, МПК В21С37/00 Пристрій для кутового пресування /

В.А. Тітов, М.С. Тривайло, Н.К. Злочевська, Г.А. Баглюк. - № u201400815; заявл.

29.01.2014; опубл 25.09.2014р., Бюл.18. 23. Тітов В.А. Розробка методів забезпечення механічних властивостей при

формоутворенні деталей з структурно-неоднорідних матеріалів /А.В. Тітов, Н.К. Злочевська // Теоретичні та практичні проблеми в обробці матеріалів тиском і якості фахової освіти: Тези доповідей. ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція, Київ, 14-16 травня 2012р. / НТУУ «КПІ». – К., 2012. – С.76-77.

24. Титов В.А. Использование винтовой уширяющей экструзии для формирования свойств сплавов и структурно-неоднородных материалов /А.В. Титов, Н.К. Злочевская, П.С. Вишневський // Теоретичні та практичні проблеми в обробці матеріалів тиском і якості фахової освіти: Тези доповідей. ІV Міжнародна науково-технічна конференція, Київ, 14-17 травня 2013 р. / НТУУ «КПІ». – К., 2013. – С.72-74.

25. Титов В.А. Особенности формирования структуры и механических свойств сплавов многофазных сплавов в условиях больших деформацій сдвига /А.В. Титов, Н.К. Злочевская // Теоретичні та практичні проблеми в обробці матеріалів тиском і якості фахової освіти: Тези доповідей. V Міжнародна науково-технічна конференція, Київ, 19-23 травня 2014 р. / НТУУ «КПІ». – К., 2014– С.19 - 21.

26. Титов В.А. Обеспечение механических свойств при формооброзовании деталей из гомогенных и структурно-неоднородных материалов /А.В. Титов, Н.К. Злочевская // Теоретичні та практичні проблеми в обробці матеріалів тиском і якості фахової освіти: Тези доповідей. V Міжнародна науково-технічна конференція, Київ, 19-23 травня 2014 р. / НТУУ «КПІ». – К., 2014– С. 74-76.

27. Титов В.А. Обеспечение механических свойств деталей из структурно-неоднородных материалов при изотермическом прессовании/А.В. Титов, Н.К. Злочевская // Прогресивная техника и технология и инжекнерное образование: Тезисы докладов. XIV Международная научно-техническая конференція, г. Киев-Севастополь, 25-28 июня 2013 г./ НТУУ «КПИ». –К., – С.93-94.

Особистий внесок автора у роботах, що опубліковані в співавторстві [1] Виконано аналіз НДС в процесах пресування, що забезпечують інтенсивні

пластичні деформації; [2] виконано дослідження впливу геометрії інструменту на

26

параметри якості отриманих заготовок; [3] проаналізована оцінка впливу відсутності

контакту для круглих волокон; [4] виконано аналіз підходів при моделюванні

процесів пластичного деформування композиційних матеріалів; [5] виконано

методику тарування датчиків зусилля; [6, 9, 10, 11] виконано комп’ютерне

моделювання процесів та обробка результатів; [7] виконано металографічний аналіз

та досліджено розподіл характерних зон розвитку деформацій; [8, 9, 13, 14, 24, 26]

виконано експериментальне відпрацювання процесу та обробка результатів; [12]

визначені закономірності формування структурних та механічних властивостей

сплаву системи Zr-Nb в умовах ІПД; [15] виконано теоретичний аналіз процесу та

оцінку ступеню реалізації характеристики матриці; [16-22] у наведених патентах

здобувачем внесено рівноцінний вклад; [23] виконано аналіз методів та результатів

дослідження; [25, 27] досліджено формування структури та механічні властивості

після деформування ГУП.

АНОТАЦІЯ

Злочевська Н.К. Забезпечення механічних властивостей гомогенних та

структурно-неоднорідних матеріалів при пластичному формоутворенні деталей. –

Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за

спеціальністю 05.03.05 – Процеси та машини обробки тиском. – Національний

технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2015.

Вирішено актуальну науково-практичну задачу підвищення механічних

властивостей гомогенних та структурно-неоднорідних матеріалів при пластичному

формоутворенні деталей.

Виконано теоретичний та чисельний розрахунок процесу ГУП. Встановлено

взаємозв’язок параметрів процесу деформування заготовок з формою каналу

матриці. Отримана теоретична залежність розподілу максимального рівня

накопиченої інтенсивності деформацій по перерізу заготовки після ГУП, який

залежить від геометричних параметрів матриці. Порівняння теоретичних та

чисельних розрахунків показало, що похибка не перевищує 15-19%.

Експериментально показано, що після ізотермічного ГУП величина границі міцності

підвищується для сплаву АК7 на 18-20%, для сплаву 1420 відповідно 19-24%, а для

сплаву Zr-1% Nb відповідно 15-17% для евтектично-зміцненого СНМ системи Ті-

ТіВn на 16-17%.

Експериментально показано ефективність використання двохстадійного

пресування евтектично-зміцнених сплавів, при якому на першій стадії забезпечують

попереднє подрібнення зміцнючої фази шляхом деформування в умовах великих

деформаціях зсуву, а на другій стадії –пресування пера лопатки в умовах близьких

до ізотермічних. Показано, що реалізація процесу забезпечує підвищення

механічних властивостей по відношенню до литої структури на 10 - 16% в замковій

частині пера лопатки, а в тілі пера лопатки – на 12 – 17%. Результати роботи

впроваджені на промислових підприємствах.

Ключові слова: гвинтове уширяюче пресування, математична модель,

механічні властивості, інтенсивність деформацій, заготовка лопатки.

27

ABSTRACT

Providing mechanical properties of homogeneous and structural heterogeneous

materials in plastic forming of parts.

The thesis for obtaining a scientific degree of PhD in Engineering at speciality of

05.04.05 – Processes and machines of plastic deformation by pressure. National Technical

University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2015.

The actual scientific and technical problem of the increasing of mechanical properties of

homogeneous and structural heterogeneous materials in plastic forming of parts.

Theoretical and numerical calculations of helical expanding forging process have

been carried out. The relationship of process parameters with the shape of die channel

have been found out. The theoretical dependence of distribution of maximum level of

accumulated strain intensity in the cross-section of workpiece after the helical expanding

forging process which depends of geometrical die parameters. Comparison of theoretical

and numerical results has shown that the error doesn’t expands 15-19% after isothermal

helical expanding forging process. Experimentally shown that after isothermal helical

expanding forging process the limit of durability increases at 18-20% for AK7, 19-24% for

alloy 1420, for alloy Zr-1%Nb at 15-17% and for eutectic-reinforced structural

heterogeneous material Ті-ТіВn increases at 16-17%.

Experimentally was shown the effectiveness of usage of two-state forging of eutectic-

reinforced alloy: at first state provides prior breaking up of reinforced phase by the

deformation in condition of large shear strain at the second state – forging of blade in

conditions near of isothermal/ It was shown that the process realization provides the

increasing mechanical conditions relatively to cast structure at 10-16% in lock zone of

blade, and at 12-17% in blade body. Results of dissertation have been implemented at

industrial enterprises.

Key words: helical expanding forging process, mathematical model, mechanical

properties, strain intense, blade workpiece.

АННОТАЦИЯ

Злочевская Н.К. Обеспечение механических свойств гомогенных и

структурно-неоднородных материалов при пластическом формообразовании

деталей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по

специальности 05.03.05 – Процессы и машины обработки давлением. -

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический

институт», Киев, 2015.

Решена актуальная научно-практическая задача повышение механических

свойств гомогенных и структурно-неоднородных материалов при пластическом

формообразовании деталей. Основной идеей работы, является реализация

двухстадийного формирования механических свойств деталей на этапах

предварительного формирования мелкокристаллический структуры металла

пластическим формованием заготовки, а на втором этапе - штамповка детали из

этой заготовки.

Разработана математическая модель процесса ГУП, описывающая поле

скоростей перемещения материальных частиц в очаге деформаций с

28

использованием пространственно-временной системы координат, что позволило

связать параметры процесса деформирования и форму канала матрицы. Полученная

теоретическая зависимость распределения максимального уровня накопленной

интенсивности деформаций по сечению заготовки после ГУП, который зависит от

геометрических параметров матрицы, и не зависит от механических свойств

заготовки, вида материала и его структурных характеристик, а определяется

кинематическими особенностями течения металла в полости матрицы.

На основании численного моделирования в системе CAD/CAE DEFORM – 3D

дано подтверждения теоретическим результатам распределение накопленной

деформаций по сечению заготовки, погрешность определение не превышает 15-19%.

Установлено, что величина накопленной деформации имеет максимальную

величину в периферийной зоне, а к центру заготовки снижается, но в меньшей

степени, чем при обычном винтовом прессовании. При последующих проходах

величина деформации увеличивается, при этом разница относительных значений

между центром и периферией уменьшается за счет уширяющей составляющей, то

есть сдвиговые деформации развиваются от периферии к центру.

Экспериментальные исследования проведены на следующих материалах:

однофазный циркониевый сплав системы Zr-Nb; двухфазный литой алюминиевый

сплав АК7, двухфазный алюминиево-литьевой сплав 1420, и структурно-

неоднородный титановый сплав системы Ti-TiBn. Анализ структуры показал, что в

результате деформационной обработки происходит измельчение зерен, а степень

измельчения зерен для всех материалов возрастает от центра к периферии

пропорционально величине накопленной деформации. Установлено, что в

результате пластической деформации происходит измельчение твердой

керамической фазы TiBn при этом, размер частиц TiBn уменьшается в 1,5-3,0 раза в

слоях близких к периферии и в центральной зоне в 1,1-1,3 раза. Показано, что после

изотермического ГУП величина предела прочности повышается после второго

цикла обработки: для сплава АК7 на 18-20%; для сплава 1420 на 19-24%; для сплава

системы Zr-Nb – на 15-17%; сплава системы Ti-TiBn– на 15-17%. При этом

относительное удлинение образцов при одноосном растяжении, не зависит от

обработки.

Экспериментально показана эффективность использования двухстадийного

прессования эвтектически-упрочненных сплавов, при котором на первой стадии

обеспечивают предварительное измельчение твердой фазы путем деформирования в

условиях больших деформаций сдвига, а на второй стадии - прессование пера

лопатки. Показано, что реализация процесса обеспечивает повышение механических

свойств по отношению к литой структуре на 10 - 16% в замковой части пера

лопатки, а в теле пера лопатки - на 12 - 17%. Анализ структуры показывает, что при

деформировании в условиях горячей пластической деформации сжимающие

напряжения на поверхности включения способствуют залечиванию микротрещин.

Результаты роботы прошли апробацию и внедрены на промышленных

предприятиях.

Ключевые слова: винтовое уширяющее прессование, математическая

модель, механические свойства, интенсивность деформаций, заготовка лопатки.