Актуальность темы исследования заключается в том, что за последние несколько десятков лет большие успехи достигнуты в изучении реологии металлов и сплавов, применяемых в качестве конструкционных материалов. Это объясняется появлением новой, более точной и чувствительной аппаратуры для измерения физических и механических свойств, появлением новых методик измерений, введением в оборот новых характеристик этих свойств. В связи с такими изменениями появилась необходимость получения новых решений краевых задач в механике деформируемого тела, которые более полно учитывали бы особенности реологии материалов.
Степень разработанности темы включает в себя решение краевых задач осадки, прессования и листовой штамповки. Выбор такого круга вопросов обусловлен тем, что упомянутые процессы в практике обработки металлов давлением имеют большой удельный вес. Во всех случаях анализа упомянутых процессов достигнутые решения описывают не среднеинтегральные характеристики процессов, а дают представление о напряженно - деформированном состоянии деформируемого материала в физической точке на уровне тензорных величин.
Целью работы является выявление влияния вида кривой упрочнения на напряженно-деформированное состояние в операциях осадки, прессования и листовой штамповки для уточнения последствий термодеформационного воздействия на материал.
Задачами исследования являются:
1. Исследовать влияние управляющих факторов, в том числе вида кривой упрочнения, на процесс осадки.
2. Исследовать влияние вида кривой упрочнения деформируемого материала на параметры деформации в производстве прутков и труб.
3. Исследовать влияние кривой упрочнения на формоизменение при листовой штамповке.
Научная новизна работы заключается в установлении значимых изменений напряженного и деформированного состояния заготовок в операциях осадки, прессования и листовой штамповки при изменении вида кривых упрочнения материалов.
Теоретическая значимость работы заключается в результатах математического моделирования процессов осадки, прессования и листовой штамповки, которые расширяют знания об этих процессах деформации: расчет напряженно-деформируемого состояния и тепловых полей, определение формоизменения с учетом сложного характера кривых упрочнения.
Практическая значимость работы состоит:
• в разработке нового метода обработки альфа-титановой заготовки с учетом
оптимизации параметров Кернса (патент РФ №2504598),
• в разработке нового метода изучения трения в процессе осадки
призматических образцов (патент РФ №2505797),
• в уточнении приемов алгоритмизации метода конечных элементов (письмо
разработчика программного обеспечения),
• в применении программных модулей для решения краевых задач по заявкам
различных предприятий (акт внедрения ООО «ПЛМ Урал»).
Методология исследования построена на основных концепциях механики деформируемого тела, в том числе на применении основных гипотез и соответствующего математического аппарата.
Методы исследования включают:
• аналитическое определение напряженно-деформированного состояния на
основе решения основной системы дифференциальных уравнений, сформулированной в рамках теории пластичности,
• приближенное решение краевых задач методом конечных элементов в
программных модулях Deform, Рапид, Abaqus, QForm, PAM-Stamp,
• экспериментальное моделирование процесса деформации с использованием
модельных материалов,
• статистическую обработку результатов расчетов и измерений.
Положения, выносимые на защиту:
• сравнительный анализ определения напряженно-деформированного
состояния и формоизменения в процессах осадки, прессования и листовой штамповки при различном характере кривых упрочнения деформируемых материалов;
• методика изучения трения в процессе осадки призматических образцов;
• способ управления параметрами Кернса в процессе производства труб из
альфа-титановых сплавов;
• сравнительный анализ результатов решения краевых задач различными
конечно-элементными методами.
Степень достоверности результатов подтверждена статистической обработкой полученных данных, сравнением с известными аналогами из технической литературы.
Апробация результатов работы выполнена путем докладов итогов исследований на конференциях и публикацией в рецензируемых изданиях, в том числе, зарубежных и из перечня ВАК.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие научные программы:
• Федеральная целевая программа «Научные и педагогические кадры инновационной России» Министерства образования РФ, государственный контракт от 22 марта 2010 г. № 02.740.11.0537,
• НИР № Н97742Б012/12 в рамках государственного задания на 2011-2013 г.г. «Развитие физики и механики обработки металлов давлением с целью создания научных основ технологических процессов производства металлургической продукции».
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 18 научных статьях, из них 11 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК, а также в описаниях двух патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 169 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц, 90 рисунков, 2 приложения и список использованной литературы, содержащий 143 наименования.
Итоги исследования заключаются в следующем.
1. Выполненные расчеты показали, что вид зависимости сопротивления деформации от степени деформации существенным образом влияет на однородность распределения деформации по объему заготовок при их формоизменении.
2. Выявлено, что наибольшей однородностью деформации отличается схема деформации металла с возрастающей кривой упрочнения, наименьшей - с убывающей кривой упрочнения. Промежуточное положение по степени однородности занимают неупрочняющиеся материалы и материалы с эффектом Портевена - Ле Шателье.
3. Выявлены параметры, необходимые для получения круглых в плане заготовок из квадратных в плане заготовок методом осадки с целью снижения отходов металла. На основе такой схемы деформации разработан новый способ определения коэффициента трения, защищенный патентом России.
4. Установлено различие между тангенциальной и радиальной компонентами тензоров деформаций и скоростей деформаций при осесимметричном прессовании прутковых заготовок, что сказывается на получении продукции с различными соотношениями параметров Кернса.
5. Сделан прогноз преобладания радиальной текстуры над тангенциальной в периферийных областях пресс-изделия при прессовании с малыми коэффициентами вытяжки альфа-сплавов титана. Для повышения параметра Кернса в радиальном направлении предложен новый способ производства титановых труб, защищенный патентом России.
6. Выявлено, что наибольшая протяженность пресс-утяжины наблюдается при прессовании упрочняющегося материала, а наименьшая - для прессования разупрочняющегося материала: при коэффициенте вытяжки 4 получено отношение между глубиной пресс-утяжины для упрочняющегося материала в 1,5 раза больше, чем для разупрочняющегося материала, а для вытяжки 16 отношение составляет 1,7.
7. Установлено, что в методе холодной листовой штамповки вид кривой упрочнения, связанный со способом предварительной термической обработки, сказывается на интенсивности локализации утонения заготовки: для вариантов состояния поставки сплава АМг3 упрочненного в процессе штамповки изделия появляются недопустимые утонения (более 70%), тогда как для отожженного варианта сплава утонения значительно ниже (около 30%).
По итогам исследования выработаны следующие рекомендации.
1. При необходимости получить схему формоизменения с максимальной однородностью распределения деформации следует выбрать температурно-скоростные режимы, обеспечивающие наибольшее приращение сопротивления деформации в функции степени деформации.
2. В процессе получения заготовок типа круглых дисков целесообразно применять заготовки, квадратные в плане, что снижает отходы металла. В этой схеме деформации рациональными параметрами следует считать применение относительных обжатий не менее 60% и состояния контактной поверхности при коэффициенте трения на уровне 0,4.. .0,5.
3. Для достижения повышенных параметров Кернса трубных заготовок в радиальном направлении следует применять схему листовой прокатки и свертывания заготовки в трубу с учетом направления деформации.
4. Для снижения протяженности пресс-утяжины при прессовании следует использовать термомеханические параметры процесса, переводящие материал в состояние разупрочняющейся среды.
5. Для снижения опасности локализации деформации при листовой штамповке необходимо использовать материал с кривой упрочнения с наибольшим градиентом повышения сопротивления деформации относительно степени деформации, что соответствует отожженному состоянию.
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в расширении области моделирования процессов формоизменения с наделением материалов такими сложными свойствами как свойства, достигаемые в эффекте Портевена - Ле-Шателье. Это позволило бы оптимизировать режимы обработки металлов и сплавов с позиции нахождения параметров, управляющих распределением деформаций, как в скалярном, так и в тензорном виде.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
