УДК 621.77.04

Д.т.н. Матвеев А.С., к.т.н. Волков С.А., Казаков Р.А. (аспирант),

Шумкина Ю.С. (студент)

Рыбинский государственный авиационный технический университет

имени П.А. Соловьева, Россия

Метод и устройство для формирования ультрамелкозернистой структуры материала прутковых заготовок

Эффективным способом формирования ультрамелкозернистых (нанокристаллических) структур в металлических материалах является интенсивное пластическое деформирование методом равноканального углового прессования (РКУП), одна из схем которого приведена на рис. 1. Обрабатываемая заготовка, перемещаясь через зону пересечения каналов силой Р, испытывает деформации простого сдвига, сопровождающиеся дроблением кристаллической структуры её материала.

В процессе РКУП в зоне пересечения каналов образуется застойная зона, а в объеме деформируемой заготовки формируется макроротор [1]. Это вызывает уменьшение длин участков стационарного пластического течения и увеличению технологических отходов из - за необходимости регулярного усечения концов обрабатываемой заготовки между проходами РКУП. Поэтому задача снижения технологических отходов в процессах РКУП прутковых заготовок, актуальна.

Вариант ее решения предусматривает способ структурообразования материала прутковых заготовок путём прессования в подвижных матрицах [2,3,4,5]. Назовём его для краткости как «Z – процесс».

По «Z – процессу» обработку материала заготовки осуществляют с помощью подвижных матриц 4,5 (рис.2) способных смещаться друг относительно друга. Каждая из матриц имеет вертикальные каналы равного сечения и полуканалы, оси которых расположены на одной прямой, расположенной в плоскости смещения матриц. При этом полуканал верхней матрицы 4 (рис.2а) направлен вправо, а полуканал нижней матрицы 5 – влево. Кроме того, матрица 4 имеет выступ, расположенный слева и входящий в полуканал матрицы 5. Аналогичный выступ выполнен справа на матрице 5, входящий в полуканал матрицы 4. При совмещении полуканалов образуется единый канал сечение которого равно сечению вертикальных каналов матриц.

В исходном положении матрицы образуют сквозной вертикальный канал, в который устанавливают заготовку 1. Затем к заготовке подводят пуансоны 2 и 3, которые накладывают на торцы заготовки силы Р.

Одновременно к матрицам 4 и 5 прикладывают силы Q, которые обеспечивают их перемещение навстречу друг другу, например со скоростями равными скоростям перемещения пуансонов. При относительном смещении матриц происходит взаимное смещение их вертикальных каналов с образованием единого промежуточного канала. Под действием сил Р и Q в заготовке реализуется схема объемного неравномерного сжатия, обеспечивающая перевод материала заготовки в пластическое состояние и деформирование заготовки в Z – образный полуфабрикат. При этом, в начальный момент деформирования заготовки, в ее средней части возникает мгновенный очаг пластической деформации, который затем разделяется на два очага пластической деформации (рис.2б). В образовавшиеся очаги деформации входит материал заготовки из концевых зон, примыкающих к торцам пуансонов 2 и 3. При этом очаги деформации расходятся, смещаясь к концевым зонам заготовки 1.

В результате материал обрабатываемой заготовки получает в очагах деформации однонаправленные деформации сдвига, приводящие к разориентировке зёрен и дроблению его кристаллической структуры.

Закончив перемещение заготовки 1 через вертикальные каналы матриц 4 и 5 в промежуточный канал, выполняют второй (четный) этап прессования заготовки. При этом снимают деформирующие нагрузки, приложенные к торцам заготовки 1 (рис.2в) пуансонами 2, 3 и обеспечивают синхронное перемещение матриц 4 и 5 силами Q' в направлении, противоположном их перемещению на нечетном этапе деформирования. При этом силы Q' достаточны для перевода материала Z – образного полуфабриката в пластическое состояние.

На четном этапе в коленных зонах заготовки вновь образуются два очага пластической деформации. Под действием приложенных нагрузок они начинают сближаться, протяжённость вертикальных зон Z – образного полуфабриката увеличивается и в конечном положении матриц 4, 5 (рис.2г) оси вертикальных каналов располагаются на одной прямой. Образуется единый прямолинейный канал с перемещением очагов пластической деформации к срединной части заготовки 1 и их слиянию. Заготовка приобретает исходную прямолинейную форму. На этом заканчивают второй (четный) этап обработки материала заготовки.

В процессе четного этапа обработки материала заготовки в последней вновь реализуются деформации сдвига, направленные в противоположную, по сравнению с нечетным этапом деформирования, сторону. В материале заготовки наряду с изменением направления деформации сдвига, нарастает величина накопленной деформации сдвига, приводящая, в итоге, к дальнейшему дроблению кристаллической структуры материала.

В зависимости от требуемой степени измельчения зёрен материала или иных задач, нечетный и четный этапы деформирования заготовки могут быть последовательно повторены n раз.

Для полной обработки материала в объеме заготовки реализацию "Z – процесса" целесообразно осуществить, например, с предварительной установкой технологических шайб на торцы заготовки (рис.3), например из графитосодержащего материала.

Для реализации «Z – процесса» по одному из его вариантов обработки материала прутковых заготовок, разработано устройство, основные фрагменты и один из этапов работы которого приведены на рисунке 4 [6].

Разработанный процесс структурообразования материала позволяет исключить операции по уменьшению длины заготовки между переходами РКУП и может быть востребован в различных отраслях машиностроения, позволяя повысить технико – экономические и эксплуатационные характеристики изготавливаемой продукции.

Список литературы

1. Периг. А. В., Тышкевич А. В. Физическое моделирование макроскопической ротации деформируемых материалов при равноканальном угловом прессовании / Кузнечно - штамповочное производство – обработка материалов давлением, №2, 2012, с. 41 - 45.

2. Патент № 2414319 Российская Федерация МПК B21J 5/06. Способ обработки металлов давлением / В. А. Полетаев, А. С. Матвеев, Р. А Казаков, патентообладатель ГОУ ВПО «Рыбинская государственная технологическая академия имени П. А. Соловьева». Опубл. 20.03.2011. Бюл. №8.

3. Матвеев А. С., Кочетков В. А. Справочник кузнеца /под ред. В. Ф. Безъязычного. М.: Машиностроение, 2011. – 360 с.: ил.

4. Матвеев А. С. Гидроштамповка труб, наноструктурирование материала. Laplambert Akademie Publishing, Saarbrucken, Germany, 2012. – 238 с. ISBN: 978-3-659-27286-8.

5. Матвеев А. С. Исследование «Z – процесса» наноструктурирования материала прутковых заготовок / Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева, №1 (22), 2012, с. 115 - 119.

6. Патент № 2415730 Российская Федерация МПК В21J 5/06/ Устройство для обработки металлов давлением / А.С. Матвеев, В.А. Полетаев, Р.А. Казаков, патентообладатель ГОУ ВПО «Рыбинская государственная технологическая академия имени П. А. Соловьева». Опубл. 10.04.2011. Бюл. №10.