Удосконалення процесів кутового пресування на основі моделювання рівноканальної пластичної течії матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК 621.7.043: 621.77: 621.777.01: 53.072.22

Спеціальність 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ КУТОВОГО ПРЕСУВАННЯ НА ОСНОВІ МОДЕЛЮВАННЯ РІВНОКАНАЛЬНОЇ ПЛАСТИЧНОЇ ТЕЧІЇ МАТЕРІАЛІВ

Періг Олександр Вікторович

Краматорськ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА, м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Подлєсний Сергій Володимирович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедри «Технічна механіка»(м. Краматорськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бейгельзімер Яків Юхимович, Донецький фізико-технічний інститут ім. О. О. Галкіна НАН України, головний науковий співробітник відділуфізики високих тисків і перспективних технологій (м. Донецьк);

кандидат технічних наук, доцент Сивак Роман Іванович, Вінницький національний аграрний університет доцент кафедри загальнотехнічних дисциплін (м. Вінниця)

Захист дисертації відбудеться «24» березня 2011 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 із захисту дисертацій у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус, ауд. 1319).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий «18» лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01, д.т.н., проф. О. Ф. Тарасов



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У даний час процеси кутового пресування із рівноканальною пластичною течією матеріалів (процеси рівноканального кутового пресування) широко застосовуються у металургії і машинобудуванні для інтенсивного пластичного деформування металів, сплавів, композитів, порошкових і полімерних напівфабрикатів. Ці процеси реалізуються шляхом багаторазового продавлювання заготівок через перетинні канали штампів, що дозволяє одержувати наноструктурні та ультрадрібнозернисті матеріали методами обробки металів тиском. У результаті обробки істотно підвищується міцність матеріалів при збереженні технологічної пластичності виробів. При деформуванні важкооброблюваних металів і сплавів кутове пресування здійснюється при підвищених температурах, коли виявляються ефекти в'язкості. Дані процеси характеризуються істотним впливом механічних характеристик матеріалів на геометричні, кінематичні і силові параметри пластичної течії. У місці перетину каналів штампу утворюється застійна зона, у об'ємі деформованої заготівки формується макроротор, що в результаті призводить до зменшення довжин ділянок стаціонарної пластичної течії і підвищення технологічних відходів матеріалу. Нерівномірність розподілу деформацій за перерізом і за довжиною оброблюваних заготівок призводить до зниження якості одержуваних виробів.

Отже, одержання певної мікроструктури і поліпшених механічних властивостей виробів при реалізації процесів рівноканального кутового пресування вимагає вибору раціональних технологій і конструктивно-технологічних параметрів штампового оснащення. Врахування впливу особливостей процесу, механічних характеристик матеріалу заготівки вимагає розвитку відповідних розрахункових методик із використанням методів механіки суцільних середовищ, які мають забезпечити коректне феноменологічне описання деформування заготівок у кутових штампах із різною геометрією.

Недостатня дослідженість задач зниження технологічних відходів матеріалу, впливу викривлення форми початкової ділянки заготівки і врахування особливостей напружено-деформованого стану матеріалу на енергосилові і деформаційні параметри зумовлює актуальність теми дисертаційної роботи, присвяченої удосконаленню процесів кутового пресування на основі моделювання рівноканальної пластичної течії матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає Закону України «Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні» від 16.01.2003 р., №433-IV (стаття 8, положення 4 «Сучасні конструкційні матеріали, технології їхнього виробництва й застосування») і входить до плану НДР Донбаської державної машинобудівної академії. Дисертація виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт № 0103U007602 і № 0107U001660, проведених відповідно до координаційного плану Міністерства освіти і науки України, у яких автор брав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є підвищення якості виробів та зниження технологічних відходів на основі розвитку методик обчислення процесу рівноканального кутового пресування і вибору раціональних параметрів штампового оснащення.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені і вирішені наступні основні задачі:

? виконати аналіз технологічних режимів, конструктивних особливостей штампового оснащення і методів обчислень напружено-деформованого стану при реалізації процесів рівноканального кутового пресування матеріалів; штамповий рівноканальний пресування кутовий

? теоретично оцінити енергосилові параметри і накопичену деформацію зсуву процесів кутового пресування металів із різними характеристиками деформаційного зміцнення через штампи із різною геометрією;

? дослідити енергосилові параметри, динаміку формування макроротору і геометричні особливості течії деформівних заготівок із урахуванням ефектів в'язкості оброблюваного матеріалу у процесах кутового пресування через штампи із різною геометрією шляхом розробки чисельних математичних моделей і відповідних програмних засобів;

? виконати експериментальний кінематичний аналіз деформованого стану заготівок і траєкторій руху частинок оброблюваного матеріалу при різних технологічних маршрутах кутового пресування матеріалів, а також дати оцінку ступеня достовірності одержаних теоретичних розв'язків і експериментально уточнити вихідні передумови;

? сформулювати технологічні рішення, а також практичні рекомендації щодо вибору раціональних технологічних параметрів штампового оснащення і маршрутів деформування для забезпечення однорідності розподілу накопиченої деформації зсуву за перерізом заготівки і зниження технологічних відходів шляхом зменшення викривлення форми початкової ділянки заготівки за кожний прохід кутового пресування матеріалів.

Об'єкт дослідження. Процес кутового пресування із рівноканальною пластичною течією матеріалу.

Предмет дослідження. Закономірності напружено-деформованого стану матеріалу заготівок у процесі рівноканального кутового пресування матеріалів у залежності від технологічних параметрів і маршрутів деформування.

Методи дослідження. Теоретичний аналіз напружено-деформованого стану металевих заготівок і навантажених елементів штампового оснащення здійснено із застосуванням методу верхньої оцінки і методу скінченних елементів, реалізованого у програмі QForm 2D (ліцензія ДДМА №U1221). В основу теоретичних досліджень кутового пресування із урахуванням в'язкості матеріалу заготівок покладено метод скінченних різниць, який застосовується для чисельного розв'язання крайових задач для рівнянь Нав'є-Стокса і перенесення вихору. Експериментальні дослідження деформованого стану здійснювались із застосуванням таких методів фізичного моделювання, як методи багатошарових композицій, маркерів, кільцевих і прямокутних сіток. Тертя оцінювалося за методикою осаджування кілець. Для оцінки вірогідності результатів експериментальних досліджень застосовувалися методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукову новизну дисертаційної роботи становлять наступні результати:

? вперше із використанням рівнянь Нав'є-Стокса і перенесення вихору стосовно процесу рівноканального кутового пресування встановлені основні закономірності впливу геометрії кутового штампу і фізико-механічних властивостей заготівок на характер течії деформівного матеріалу, виникнення макроротору і енергосилові параметри процесу;

? уточнені залежності силових і деформаційних параметрів рівноканальної пластичної течії металів від геометрії штампу і фактору тертя із урахуванням деформаційного зміцнення, макроротації матеріалу заготівки, протяжності порожнин штампу, а також маршруту багатопрохідного деформування;

? отримали подальший розвиток уявлення про характер впливу зовнішнього і внутрішнього радіусів штампу для рівноканального кутового пресування, а також довжини деформівної заготівки на величину викривлення форми початкової ділянки і нерівномірність розподілу деформацій за перерізом заготівки.

Практична цінність отриманих результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи становлять наступні її основні результати:

? рекомендації для автоматизованого розрахунку локальних та інтегральних характеристик напружено-деформованого стану при кутовому пресуванні матеріалів через штампи із різною геометрією;

? уточнені вихідні дані і визначені раціональні конструктивно-технологічні параметри для проектування штампового оснащення процесів кутового пресування металевих заготівок, які забезпечують підвищення накопиченої деформації зсуву і зниження технологічних відходів;

? запропоновані і захищені 4-ма патентами України нові технологічні і конструктивні рішення, спрямовані на підвищення якості і зниження технологічних відходів матеріалу заготівок при кутовому пресуванні і розробку нових штампів поліпшеної конструкції для видавлювання більш широкого спектру виробів.

Результати роботи у вигляді технологічних рекомендацій і комплексу алгоритмів використовуються у відділі технологічних досліджень процесів гідропресування і відділі фізики високих тисків та перспективних технологій ДонФТІ НАНУ, м. Донецьк, ВАТ «Науково-дослідний і проектно-технологічний інститут машинобудування», м. Краматорськ, ЗАТ «МІНЕТЕК-технології» м. Краматорськ, ТОВ «КНІВС» м. Краматорськ.

Окремі розробки використовуються на кафедрах «Машини і технології обробки металів тиском», «Автоматизовані металургійні машини і обладнання» ДДМА і «Теоретична механіка» Полтавського національного технічного університету при викладанні дисциплін «Теорія пластичної деформації», «Ресурсозберігаючі технології металургійного виробництва» і «Основи теорій подібності, розмірностей і математичного моделювання», а також при виконанні курсових і дипломних проектів студентами спеціальностей 8.090206 «Обладнання для обробки металів тиском» і 8.090218 «Металургійне обладнання».

Особистий внесок здобувача полягає у обґрунтуванні і розв'язанні задач роботи. Автор самостійно запропонував розв'язання за методом верхньої оцінки для визначення зусиль і накопиченої деформації зсуву при кутовому пресуванні металевих заготівок, здійснив постановку задач скінченноелементного аналізу для оцінки напружено-деформованого стану і відходів матеріалу при кутовому пресуванні, а також розробив програмні засоби для розрахунку енергосилових параметрів процесів кутового пресування із урахуванням в'язкості деформівних матеріалів, які реалізують скінченнорізницеве розв'язання рівнянь Нав'є-Стокса і перенесення вихору. Автор прийняв участь у створенні лабораторного стенду і штампового оснащення, у проведенні експериментальних досліджень із фізичного моделювання формування макроротору при кутовому пресуванні оброблюваних матеріалів із застосуванням методів багатошарових композицій, маркерів, кільцевих і прямокутних сіток, а також у обробці і аналізі одержаних результатів. Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві, наведено у анотації до списку опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були викладені і обговорені на наступних міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: «Нові методи і засоби дослідження процесів і машин обробки тиском» (м. Краматорськ, 2005); «Сучасні методи моделювання процесів обробки металів тиском» (м. Краматорськ, 2006); «Розвиток методів розрахунку, удосконалення технологій і обладнання процесів ОМТ» (м. Краматорськ, 2007); XXXVI Summer School - Conference «Advanced Problems in Mechanics» (м. Санкт-Петербург, 2008); «XXXIII Далекосхідна математична школа-семінар ім. акад. Є. В. Золотова» (м. Владивосток, 2008); «Research and development in mechanical industry» (м. Ужице, Сербія, 2008); «Високий тиск - 2008» (м. Судак, 2008); «Динаміка та міцність машин, будівель, споруд» (м. Полтава, 2009); «Computational Plasticity» (м. Барселона, 2009); «Деформація і руйнування матеріалів і наноматеріалів» (м. Москва, 2009); «Ресурсозбереження і енергоефективність процесів і обладнання ОТ в машинобудуванні і металургії» (м. Харків, 2009); «Математичні проблеми механіки неоднорідних структур» (м. Львів, 2010); «Наддрібнозернисті і наноструктурні матеріали» (м. Уфа, 2010); «Інженерна механіка та транспорт» (м. Львів, 2010); «Крайові задачі і математичне моделювання» (м. Новокузнецьк, 2010), а також на науково-методичному семінарі відділу фізики високих тисків і перспективних технологій ДонФТІ НАНУ «Проблеми фізики наноструктурних станів» (м. Донецьк, 2010), на щорічних наукових конференціях ДДМА (2005-2010) і на об'єднаних наукових семінарах ДДМА із обробки тиском (2010).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 22 друковані праці, із них 12 - статті у дванадцяти збірниках наукових праць із переліку ВАК України, 1 - стаття у міжнародному журналі Materials Science and Engineering A (Impact Factor 1,806); одержані 4 патенти України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи 285 сторінок, у тому числі 135 сторінок основного тексту, 66 рисунків на 54 сторінках, список використаних джерел із 220 найменувань і 13 додатків на 96 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і показаний зв'язок дисертаційної роботи із науковими програмами, планами, темами. Сформульовано поставлену мету і розв'язувані задачі, подано характеристику об'єкту, предмету і методам дослідження, відзначено особистий внесок здобувача, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також їх апробація і промислове використання.

У першому розділі виконано систематизацію існуючих технологічних режимів, конструктивних особливостей штампового оснащення і методів обчислення напружено-деформованого стану при реалізації процесів рівноканального кутового пресування матеріалів.

Вагомий внесок у дослідження процесів інтенсивного пластичного деформування при кутовому пресуванні зробили І. С. Алієв, Я. Ю. Бейгельзімер, В. О. Білошенко, Р. З. Валієв, В. М. Варюхін, В. О. Євстратов, Р. Є. Лаповок, О. М. Лаптєв, Г. І. Рааб, Ю. І. Рибін, Л. О. Рябічева, В. М. Сегал, В. З. Спусканюк, J. Alkorta, B. S. Altan, I. J. Beyerlein, A. R. Eivani, W. Z. Han, T. G. Langdon, H.-J. Sue, Y. T. Zhu, H. S. Kim та ряд інших вітчизняних і зарубіжних вчених.

В результаті проведеного аналізу встановлено, що технологічні процеси кутового пресування оброблюваних матеріалів знаходять широке дослідно-промислове застосування для формування комплексу підвищених механічних властивостей у об'ємі заготівок із металевих, полімерних і композитних матеріалів. Водночас практична реалізація процесів кутового пресування при багаторазовому деформуванні заготівок за певним маршрутом ускладнюється значною нерівномірністю розподілу деформацій у об'ємі оброблюваного матеріалу і, як результат, великими відходами матеріалу, а також високим рівнем напружень у штамповому оснащенні.

Існуючі інженерні оцінки енергосилових параметрів процесів кутового пресування ґрунтуються на різних математичних моделях із відмінними вихідними передумовами і, як наслідок, не дозволяють у повному обсязі врахувати особливості напружено-деформованого стану при деформуванні матеріалів за обраною схемою. Так, на момент початку даного дослідження для течії заготівок із врахуванням в'язкості оброблюваного матеріалу при кутовому пресуванні були відсутні методики розрахунку енергосилових параметрів. Недостатньо дослідженими є питання розподілу небезпечних напружень у матеріалі штампового оснащення при рівноканальному кутовому пресуванні.

Вищезазначене обґрунтовує актуальність поставлення і вирішення задач із удосконалення процесів кутового пресування на основі моделювання рівноканальної пластичної течії деформівних заготівок у кутових штампах із різною геометрією.

У другому розділі виконано вибір напрямів і методів теоретичних та експериментальних досліджень процесів кутового пресування.

Як основний напрям досліджень процесів кутового пресування потрібно розглядати підвищення якості виробів і зниження технологічних відходів на основі розвитку методик розрахунку рівноканальної пластичної течії матеріалів у кутових штампах різної геометрії, а також вибору раціональних параметрів штампового оснащення.

Запропоновані математичні моделі кутового пресування матеріалів спираються на положення теорії пластичності і механіки суцільних середовищ із використанням чисельних методів тензорного числення, скінченних різниць і скінченних елементів. Розрахунок енергосилових параметрів для кутового пресування металів ґрунтується на використанні методів верхньої оцінки (МВО) і скінченних елементів (МСЕ). Для узагальнення чисельних результатів МСЕ моделювання були побудовані нелінійні реґресійні моделі, адекватність яких оцінювалась дослідженням реґресійних залишків. Енергосилові параметри для рівноканального кутового пресування (РККП) в'язких матеріалів визначалися на основі чисельного скінченнорізницевого розв'язку крайових задач для рівняння переносу вихору у випадку плоскої течії в'язкого нестисливого суцільного середовища:

, (1)

де - число Рейнольдса, характерний розмір - ширина каналу, - швидкість заготівки у вхідному каналі штампу, і - густина і в'язкість деформівного матеріалу, і - безрозмірні координати, і - безрозмірні складові швидкості уздовж осей і , безрозмірний вихор , а - безрозмірний час (рис. 1а).



Рис. 1. Схема рівноканального кутового пресування матеріалів: 1 і 4 - перетинні канали, 2 - пуансон, 3 - заготівка (а), а також розрахункова схема розбиття на жорсткі блоки (б) і відповідний годограф швидкостей (в)

Для оцінки ступеня вірогідності розроблених математичних моделей було проведено комплекс експериментальних досліджень процесів кутового пресування, причому були виготовлені лабораторний гідравлічний стенд і набір роз'ємних штампів із різними конструктивно-технологічними параметрами. Із застосуванням експериментально-теоретичних методів маркерів, кільцевих та прямокутних сіток були визначені параметри нерівномірності деформованого стану, основні особливості формування застійних зон і макроротору із врахуванням геометрії штампового оснащення і маршруту кутового пресування заготівок на прикладі пластичної течії свинцю і пластиліну. Умови тертя при деформуванні у кутових штампах оцінювалися на основі емпіричної методики осаджування кілець. Зіставлення розрахункових і емпіричних даних виконувалося із застосуванням методів математичної статистики.

У третьому розділі наведені результати теоретичних досліджень процесів кутового пресування металевих матеріалів через штампи з кутами між перетинними вхідним 1 та вихідним 4 каналами і різною геометрією в зоні осередку пластичного деформування (рис. 1а).

Для течії металевого незміцнюваного матеріалу через штамп із шириною каналів , застосування методу верхньої оцінки дозволяє проаналізувати формування застійної зони 4, а також оцінити відносний тиск пресування , накопичену деформацію зсуву і мінімальне значення відносної висоти застійної зони , де при здійсненні одного проходу кутового пресування (рис. 1б-в):

; (2)

; (3)

, (4)

де - фактор тертя в законі Зібеля , - стала пластичності для матеріалу з межею плинності (рис. 2, рис. 3а).

Рис. 2. Зіставлення результатів для відносного тиску пресування (а) і накопиченої деформації зсуву (б) при кутовому пресуванні незміцнюваного металу, одержаних із застосуванням методу верхньої оцінки, із розв'язками В. М. Сегала за методом ліній ковзання, де ?, ¦, ^ (верхня оцінка) і _, ?, + (лінії ковзання) - значення відповідних величин для штампів із кутами між каналами 2и=90°, 105° і 120° відповідно

Зіставлення результатів, одержаних із (2)-(4) із розв'язками В. М. Сегала, обчисленими за методом ліній ковзання, представлено на рис. 2, причому довірчі інтервали для співвідношень розрахункових величин за методами верхньої оцінки і ліній ковзання мають значення 0,956…1,062 для тиску пресування і 1,011…1,037 для деформації зсуву при довірчій ймовірності 0,95.

Із (4), із врахуванням обмеження , випливає, що застійна зона при деформуванні незміцнюваного металу через штамп формується для всіх значень фактору тертя при кутовому пресуванні через штамп із , для штампу із її формування відбувається при і для штампу із при (рис. 3а).

Для врахування викривлення форми початкової ділянки заготівки і нерівномірності розподілу деформацій за перерізом заготівки у середовищі QForm 2D було виконано МСЕ моделювання кутового пресування заготівки довжиною () через штамп із та радіусами закруглень і () на прикладі течії міді М1 без врахування тертя (рис. 3б).

На основі результатів МСЕ моделювання із застосуванням методів реґресійного аналізу були одержані степеневі співвідношення для усередненої деформації <ei> (рис. 3в), нерівномірності розподілу деформацій (eimax-<ei>)/eimax (рис. 4а) і відносної площі Sfore/S (рис. 4б-в) початкової нестаціонарної ділянки заготівки, яка характеризує технологічні відходи:

(без тертя); (5)

(без тертя); (6)

(без тертя), (7)

причому нормальність розподілу реґресійних залишків для формул (5-7) була доведена за критерієм Пірсона.

Рис. 3. Графіки формування застійної зони при деформуванні незміцнюваного металу через кутовий штамп (а), розрахункова схема для МСЕ моделювання рівноканального пресування через кутовий штамп із радіусами і (б), а також графіки залежності усередненої інтенсивності деформацій при кутовому пресуванні заготівок із міді М1

Спільний аналіз (5)-(7) показує, що радіус зовнішнього закруглення штампу має бути мінімальним R/a=0,028, а внутрішній радіус повинен знаходитися в межах (рис. 3б), що для заготівок із L/a=8,474 забезпечує досягнення високої інтенсивності деформацій 0,79..0,91 (рис. 3в) при низькій нерівномірності деформацій 0,35..0,48 (рис. 4а) і незначних відходах початкової нестаціонарної ділянки заготівки 0,055..0,051 (рис. 4б-в) за один прохід кутового пресування оброблюваного металу через штамп із 2и=90°.

Рис. 4. Графіки залежності нерівномірності деформацій (а) і відносної площі нестаціонарної ділянки заготівки (б, в) при деформуванні міді М1

Для аналізу кутового пресування в'язких матеріалів через 2и штамп (рис. 1а) був побудований скінченнорізницевий розв'язок рівняння (1) із програмною реалізацією відповідного алгоритму мовою Object Pascal (IDE Lazarus).

Розв'язок (1) будувався для усталеного режиму пресування, для якого початкові умови приймалися у вигляді наближення до стаціонарного розв'язку:

; ; ; , (8)

де ш - безрозмірна функція току, - число кроків координати на ширині каналу.

Граничні умови для (1) сформульовані на підставі припущення, що у точці F, розташованій на зовнішній стінці AFB штампу, ж=0, ш=0, а у внутрішній точці E, навколо якої закручуються лінії току, ж=1, ш=1, причому одиниця приймається тому, що ж і ш - безрозмірні величини (рис. 5а).

Граничні умови на вході AE у осередок пластичного деформування задаємо для течії в'язкого нестисливого матеріалу у вигляді

; , (9)

де - крок координати (рис. 5).

Граничні умови на виході BE визначаються як

; . (10)

Функція току ш і тиск P визначалися ітераційним методом Річардсона, а в'язкість деформівного матеріалу знаходилась методом послідовних наближень відповідно до експериментально виміряних значень тиску пресування і швидкості матеріалу на вході у осередок деформації (рис. 5).

Розв'язок крайової задачі (1), (8)-(10) для пресування в'язкого матеріалу показує формування застійної зони 1, а також наявність піків повної швидкості w=(u2+v2)0,5 і дотичних напружень , які характеризують нерівномірність розподілу деформацій у зоні осередку AEBF (рис. 5).

Рис. 5. Розрахункові лінії току при РККП пластиліну через штамп із 2и=90° (а), а також розрахункові поля безрозмірної повної швидкості w матеріалу (б) і дотичних напружень ф (в), де вхід AE у осередок деформації - зліва, а вихід BE - праворуч

Граничні умови задачі містять умову повного прилипання матеріалу до стінок 2и штампу, що відповідає максимальному значенню фактору тертя.

На рис. 5 наведені результати чисельного інтеґрування (1) із початковими (8) і граничними (9)-(10) умовами при пресуванні пластилінової заготівки для наступних значень вхідних величин: ширина каналу a=15 мм, густина заготівки с=1850 кг/м3, межа плинності уS=217 кПа, питомі теплоємність і теплопровідність c=1,004 кДж/(кг*К) і л=0,7 Дж/(м*с*К), швидкість пресування U0=0,19 мм/с, в'язкість з=155 Па*с, число Рейнольдса Re=7,94·10-5, тиск пресування P=707 кПа, число кроків координати n=80, момент часу для побудови першої ізохрони 100 с і похибка ітерацій е=0,01.

Існування великих ґрадієнтів швидкостей (рис. 5б) і дотичних напружень (рис. 5в) може зумовлювати формування зони макроскопічної ротації і неоднорідності повороту в області осередку деформування при РККП (рис. 7а).

У четвертому розділі представлені результати експериментальних і експериментально-теоретичних досліджень кутового пресування. Моделі заготівок для деформування виготовлялися зі свинцю С1 (рис. 8а-в) і охолодженого пластиліну (рис. 7а-б) із використанням сферичних маркерів (рис. 7б), а також початкових кільцевих (рис. 7а) і прямокутних сіток (рис. 8а-в).

Зіставлення теоретичних результатів (2), (4) для p/2k (ЃZЃZЃZ) із відомими експериментальними результатами (рис. 6) при пресуванні металевих заготівок у штампі із 2и=90° показує, що відносна розбіжність результатів не перевищує: 9,76% (? - B. Talebanpour); 16,48% (? - G.Pьrзek); 41,27% і 41,5% (^ - M. Paydar), а також 46,77% (¦ - M. Reihanian).

Зіставлення розрахункових траєкторій лівого ??? і правого ЧЧЧ маркерів (рис. 5а), одержаних із розв'язку крайової задачі (1), (8)-(10), із експериментальними траєкторіями лівого ??? і правого ЃZЃZЃZ маркерів показує, що для довірчої ймовірності довірчі інтервали для співвідношень розрахункових і емпіричних значень ординат становлять і (рис. 7б).

Рис. 7. Пластилінова модель заготівки із початковою кільцевою сіткою при пресуванні у штампі із 2и=90°, ц=0° (а), а також зіставлення розрахункових і експериментально спостережуваних траєкторій для частинок в'язкого деформівного матеріалу на прикладі течії пластиліну (б)

Із використанням кільцевих сіток показано формування застійної зони у куті штампу, в якій практично відсутні деформації оброблюваного в'язкого матеріалу (рис. 7а-б), і зони інтенсивної макроротації (рис. 7а), що добре узгоджується із результатами чисельного моделювання (рис. 5). У рамках фізичного моделювання із застосуванням вихідних кільцевих сіток в якості міри макроротації Дб приймалося накопичення кута б великої піввісі еліптичного маркеру із віссю абсцис, а мірою неоднорідності повороту - відношення кута в взаємного перекосу частин еліпсу до його середнього поперечного розміру в/b, які становлять: а) макроротор Дб=2,32 рад при ґрадієнті макроротору <grad(б)>=0,32 (1/мм), неоднорідність повороту <в/b>=3,09 (рад/мм) займає 89% площі заготівки (штамп 2и=75є); б) Дб=1,52 рад при <grad(б)>=0,26 (1/мм), <в/b>=2,74 (рад/мм) на 38% площі заготівки (2и=90є, рис. 7а) і Дб=1,26 рад при <grad(б)>=0,16 (1/мм), <в/b>=2,27 (рад/мм) займає 13% площі (2и=105є). Деформований стан металу при кутовому пресуванні визначався за методами Зібеля, Ренне і Мейза для прямокутних сіток із 570 (рис. 8а-б) і 520 (рис. 8в) вузлами на свинцевих моделях, причому відносна розбіжність експериментальних результатів за інтенсивностями деформацій із МВО (3)-(4) не перевищує 12,8% (рис. 8б-в).

Рис. 8. Свинцева модель заготівки із початковою прямокутною сіткою при пресуванні у штампі із 2и=90°, ц=56° (а), а також епюри інтенсивностей деформацій для трьох різних за рівнем волокон свинцевої моделі, початково розташованих за шириною каналу на відстанях 0,2a (--, Ѓљ); 0,5a (-¦-, ?); 0,9a (- -, ЃZ) від лівого краю заготівки для штампів із 2и=90°, ц=56° (б) і 2и=120°, ц=37° (в), де y0 - початкова вертикальна координата вихідного волокна

У п'ятому розділі на основі теоретичних і експериментальних досліджень запропоновані способи зниження технологічних відходів при кутовому пресуванні заготівок, а також раціональні конструкції штампового оснащення. Показано, що при пресуванні через гострокутний штамп технологічні відходи можна знизити виконанням деформуючого пуансону зі скошеною крайкою, причому кут скосу має збігатися із кутом між каналами штампу. При деформуванні довгомірних заготівок технологічні відходи можна знизити безперервним багаторазовим пресуванням заготівки у одному циклі деформування зворотно-поступальним переміщенням деформуючих пуансонів, багатокутовим пресуванням через багатосекційний контейнер із незалежним обертанням кожної із його секцій, а також за рахунок усунення прес-залишку шляхом застосування кінцевих елементів між пуансоном і заготівкою.

Для перерозподілу небезпечних напружень у матеріалі кутового штампу запропоновані обґрунтовані технологічні рекомендації щодо впровадження зносостійких елементів у зону сполучення каналів штампу у вигляді змінних вставок, а також змінних внутрішніх і зовнішніх стінок вхідного каналу.

Результати роботи у вигляді спеціально розробленого стенду і набору семи роз'ємних штампів, алгоритмів, програмних засобів, патентів, а також конструктивних і технологічних рекомендацій використовуються у відділах технологічних досліджень процесів гідропресування і фізики високих тисків та перспективних технологій ДонФТІ НАНУ, м. Донецьк, ВАТ «Науково-дослідний і проектно-технологічний інститут машинобудування», м. Краматорськ, ЗАТ «МІНЕТЕК-технології» м. Краматорськ, ТОВ «КНІВС» м. Краматорськ, а також у навчальному процесі на кафедрах «Машини і технології обробки металів тиском», «Автоматизовані металургійні машини і обладнання» ДДМА і «Теоретична механіка» Полтавського національного технічного університету.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано нові науково-технічні розробки із розвитку методик розрахунку і проектування, а також із удосконалення технології і штампового оснащення процесів рівноканального кутового пресування, спрямовані на вирішення актуальних задач підвищення якості виробів і зниження технологічних відходів деформівного матеріалу.

1. Аналіз технологічних режимів, конструктивних особливостей штампового оснащення і методів розрахунку напружено-деформованого стану процесу рівноканального кутового пресування матеріалів показав, що відомі результати теоретичних і експериментальних досліджень недостатні для його широкого впровадження у промисловість через значні технологічні відходи матеріалу і низьку якість виробів, що зумовлені нерівномірністю розподілу деформацій за перерізом і за довжиною оброблюваних заготівок. Існуючі моделі процесів кутового пресування не повною мірою враховують особливості течії і напружено-деформованого стану матеріалів.

2. Теоретично розв'язані задачі кутового пресування металів при деформуванні через 2и штампи із застосуванням методу верхньої оцінки. Уточнені геометрія застійної зони, тиск пресування і накопичена деформація зсуву для течії металів із різними характеристиками деформаційного зміцнення; відносна розбіжність теоретичних результатів для тиску пресування із відомими експериментальними результатами B. Talebanpour не перевищує 9,76%. Зіставлення результатів, отриманих за методом верхньої оцінки, із відомими теоретичними розв'язками показує, що довірчі інтервали для співвідношень розрахункових величин за методами верхньої оцінки і ліній ковзання мають значення 0,956…1,062 для тиску пресування і 1,011…1,037 для деформації зсуву при довірчій ймовірності 0,95. На основі отриманих розв'язків були оцінені питомі навантаження на штамповий інструмент при здійсненні даних процесів. Використання методу сіток підтверджує теоретичні результати для інтенсивності деформацій, отримані за методом верхньої оцінки, причому відносна розбіжність результатів не перевищує 12,8%.

3. Теоретично із використанням МСЕ моделювання визначений напружено-деформований стан і розширені уявлення про характер впливу зовнішнього і внутрішнього радіусів кутового штампу, а також довжини деформованої заготівки на величину викривлення форми початкової ділянки і нерівномірність розподілу деформацій за перерізом заготівки. Отримані чисельні розв'язки для деформування заготівок із міді М1 без тертя через штампи із 2и=90° дозволили визначити раціональні внутрішній і зовнішній радіуси закруглень штампів і R/a=0,028 в зонах сполучення каналів і виявили, що при збільшенні довжини заготівки L/a від 8,5 до 17 має місце зменшення в 1,92 рази відносної площі відхідної носової частини від 0,0504 до 0,0263, зниження у 1,31 рази середньозваженої інтенсивності логарифмічних деформацій від 0,912 до 0,694 разом зі зниженням нерівномірності деформацій в 1,11 рази від 0,476 до 0,429.

4. Вперше із використанням рівнянь Нав'є-Стокса і перенесення вихору стосовно процесу рівноканального кутового пресування показано, що характер течії деформівних матеріалів із наявністю ефектів в'язкості характеризується значними ґрадієнтами швидкостей і дотичних напружень у зоні осередку пластичного деформування. Порівняння експериментальних траєкторій частинок в'язкого середовища, отриманих у результаті фізичного моделювання за методом маркерів для пластилінових темплетів, із розрахунковими лініями току для рівноканальної пластичної течії, одержаними у результаті інтеґрування рівнянь перенесення вихору, показує, що для довірчої ймовірності довірчі інтервали для співвідношень розрахункових і емпіричних значень ординат становлять від до , що експериментально підтверджує коректність розв'язку.

5. Результати експериментальних і експериментально-теоретичних досліджень із застосуванням методів початкових кільцевих і прямокутних сіток для свинцевих заготівок показують зменшення середньої інтенсивності логарифмічних деформацій в 1,45 разів при переході від штампу 2и=90°, ц=0° до штампу 2и=105°, ц=0° і в 1,55 разів при переході від штампу 2и=90°, ц=56° до штампу 2и=120°, ц=37°, причому деформації заготівки максимальні у шарах матеріалу, які прилягають до нижньої поверхні вихідного каналу штампу і мінімальні для верхньої частини вихідного каналу. Встановлено, що для поліпшення якості заготівки і усунення нетехнологічної зміни її форми важливо, щоб довжина вихідного каналу була більшою, ніж довжина початкової заготівки.

6. В рамках фізичного моделювання із застосуванням початкових кільцевих сіток встановлено, що максимальні значення макроротору 2,32 рад, ґрадієнту макроротору 0,32 (1/мм), неоднорідності повороту деформівного матеріалу 3,09 (рад/мм) і зони локалізації неоднорідності повороту 89% від площі заготівки відповідають деформуванню у штампі із 2и=75є. Значний макроротор у об'ємі деформованої заготівки приводить до зменшення довжин ділянок стаціонарної пластичної течії, підвищення нерівномірності деформованого стану і, отже, до збільшення відходів матеріалу. Експериментально доведено, що форма деформуючого пуансону зі скошеною крайкою дозволяє у 3,11 разів зменшити неоднорідність повороту матеріалу заготівки і знизити технологічні відходи при кутовому пресуванні через штамп із 2и=75є, причому при деформуванні вихідної заготівки через гострокутний штамп кут скосу крайки пуансону має збігатися із гострим кутом між вхідним та вихідним каналами штампу. Із використанням вихідних прямокутних сіток встановлено, що після другого проходу кутового пресування із поворотом заготівки на 180є між проходами (маршрут C) відбувається зменшення нерівномірності деформованого стану.

7. На основі розроблених математичних моделей встановлено, що відходи матеріалу заготівок можна знизити: удосконаленням схеми рівноканального багатокутового пресування із додатковим обертанням штампу, розрахунки якої показали певне зниження зусиль деформування із одночасним збільшенням накопиченої деформації у об'ємі деформованої заготівки у порівнянні з базовою схемою процесу кутового пресування; неперервним багаторазовим деформуванням заготівки за один цикл пресування зворотно-поступальним переміщенням деформуючих пуансонів, а також пресуванням без утворення прес-залишку заготівки із використанням кінцевих елементів між пуансоном і прес-залишком заготівки.

На основі МСЕ моделювання уточнено розташування концентраторів небезпечних напружень у матеріалі пружнодеформованого штампового оснащення при кутовому пресуванні, що дозволило запропонувати обґрунтовані рекомендації щодо впровадження зносостійких змінних елементів конструкції в зону сполучення каналів штампу у вигляді змінних вставок, а також змінних внутрішніх і зовнішніх стінок вхідного каналу до місця переходу суміжних каналів.

8. Розроблено технологічні рекомендації щодо зниження відходів матеріалу заготівок і підвищення якості виробів при рівноканальному кутовому пресуванні, які використовуються на чотирьох підприємствах. Розроблено комплекс програмних засобів для автоматизованого розрахунку процесів кутового пресування із врахуванням в'язкості деформівного матеріалу. Результати теоретичних і експериментальних досліджень процесів кутового пресування із рівноканальною пластичною течією матеріалів, а також розроблені програмні засоби використовуються у навчальному процесі.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лаптев А. М. Анализ равноканального углового прессования методом жестких блоков / А. М. Лаптев, Е. Ю. Вяль, А. В. Периг // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2006. - С. 316-322.

2. Периг А. В. Использование метода верхней оценки для анализа процесса равноканального углового прессования / А. В. Периг, А. М. Лаптев, С. В. Подлесный // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: Зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2008. - № 1 (11). - С. 128-134.

3. Застосування методу верхньої оцінки і методу кінцевих елементів для аналізу процесу рівноканального кутового пресування через матрицю із закругленою зовнішньою стінкою кута сполучення каналів / О. В. Періг, С. О. Короткий, О. М. Лаптєв, С. В. Подлєсний // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2008. - С. 94-98.

4. Лаптев А. М. Механика равноканального углового прессования материала с деформационным упрочнением / А. М. Лаптев, А. В. Периг, С. В. Подлесный // Физика и техника высоких давлений. - 2009. - т. 19. - № 2. - С. 118-123.

5. Компьютерное моделирование течения материалов при равноканальном угловом прессовании: анализ движения вязкой среды и экспериментальная верификация методом маркеров / А. В. Периг, А. М. Лаптев, Н. Н. Голоденко и др. // Обработка материалов давлением: Тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2009. - № 1 (20). - С. 57-62.

6. Моделирование процесса равноканального углового прессования: двухпараметрический анализ методом жестких блоков и экспериментальная верификация методом кольцевых сеток / А. В. Периг, А. М. Лаптев, А. В. Тышкевич, Е. А. Бондаренко // Обработка материалов давлением: сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА. - 2009. - №2 (21) - С. 40-45.

7. Численное моделирование процесса равноканального многоуглового прессования / А. В. Периг, С. А. Короткий, А. М. Лаптев и др. // Зб. наук. пр. Полтавського НТУ. - Вип. 3 (25), т. 2.- Полтава : ПолтНТУ. - 2009. - С. 159-163.

8. Анализ неоднородности деформированного состояния при вязком течении материалов в непрямоугольном равноканальном угловом штампе / А. В. Периг, А. М. Лаптев, Н. Н. Голоденко и др. // Вестник НТУ «ХПИ»: сб. науч. тр. - Харків: «ХПІ». - 2009. - № 31. - С. 75-83.

9. Численное моделирование течения вязкого материала в равноканальном угловом штампе с внешним закруглением / А. В. Периг, А. М. Лаптев, Н. Н. Голоденко и др. // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: зб. наук. пр. - Луганськ. - 2009. - С. 41-48.

10. Экспериментально-теоретический анализ основных показателей качества при равноканальном угловом прессовании / А. В. Периг, А. М. Лаптев, А. В. Тышкевич и др. // Кузнечно-штамповочное производство. - 2010. - №2 - С. 14-21.

11. Численное математическое моделирование основных показателей качества при равноканальном угловом прессовании на основе решения уравнения переноса вихря / А. В. Периг, Н. Н. Голоденко, А. М. Лаптев и др. // Обработка материалов давлением: Темат. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДДМА. - 2010. - № 1 (22) - С. 70-76.

12. Equal Channel Angular Extrusion of Soft Solids / A. V. Perig, A. M. Laptev, N. N. Golodenko, Yu. A. Erfort, E. A. Bondarenko // Materials Science and Engineering: A. - 2010. - Vol. 527. - N 16-17. - P. 3769-3776 (Impact Factor 1.806).

13. Комп'ютерне прогнозування структурних перетворень у матеріалі при рівноканальному кутовому пресуванні / О. В. Періг, О. М. Лаптєв, М. М. Голоденко та ін. // Фізика і хімія твердого тіла. - 2010. - т. 11. - № 3. - С. 762-767.

14. Спосіб фізичного моделювання течії пластичних матеріалів: патент № UA 41132 U: МПК (2009) B21J 5/00, G01N 3/28 / Лаптєв О. М., Періг О. В., Литвинов М. Г. та ін.; власник патенту Донбаська державна машинобудівна академія. -- № u200812900; заявл. 05.11.08; опубл. 12.05.09, Бюл. № 9, 09 р. -- 2 с.

15. Спосіб рівноканального багатокутового пресування виробів: патент № UA 41381 U: МПК (2009) B21J 5/00 / Роганов Л. Л., Тарасов О. Ф., Періг О. В., Стадник О. М.; власник патенту Донбаська державна машинобудівна академія. -- № u200811900; заявл. 07.10.08; опубл. 25.05.09, Бюл. № 10, 09 р. -- 2 с. : 1 іл.

16. Спосіб рівноканального кутового пресування [Текст]: патент № UA 47208 U: МПК (2009) B21K 21/00, B21J 5/00 / Єрфорт Ю. О., Періг О. В., Овчаренко В. А. та ін.; власник патенту Донбаська державна машинобудівна академія. -- № u200906681; заявл. 25.06.09; опубл. 25.01.10, Бюл. № 2, 10 р. -- 2 с.

17. Прес-форма для рівноканального кутового пресування: патент № UA 51913 U: МПК (2009) B21J 5/00 / Роганов Л. Л., Періг О. В., Севастянов Б. В., Міхєєнко Д. Ю.; власник патенту Донбаська державна машинобудівна академія. -- № u201000244; заявл. 13.01.10; опубл. 10.08.10, Бюл. № 15, 10 р. -- 2 с. : 2 іл.

18. Mechanics of the equal channel angular extrusion / A. V. Perig, P. A. Kakavas, K. N. Anyfantis, A. M. Laptev // Proceedings of XXXVI International Summer School-Conference "Advanced Problems in Mechanics-2008" / Институт проблем машиноведения РАН - St. Petersburg, 2008. - P. 513-520. - ISBN 978-5-91339-029-5.

19. Физическое моделирование пластического течения материалов при равноканальном угловом прессовании / А. В. Периг, А. М. Лаптев, А. В. Тышкевич и др. // Сборник материалов III МК «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» - М.: Интерконтакт Наука, 2009, т. 1, 527 с. - С. 216-217.

20. Perig A. V. Upper Bound Analysis of Equal Channel Angular Extrusion / A. V. Perig, A. M. Laptev, P. A. Kakavas / X International Conference on Computational Plasticity: Proceedings on CD-ROM. - Barcelona, 2009. - ISBN 978-84-96736-69-6.

21. Математическое моделирование вязкого течения полимера при равноканальном угловом прессовании / А. В. Периг, Н. Н. Голоденко, С. В. Подлесный и др. // Сб. докладов VIII МНК «Математические проблемы механики неоднородных структур». - Львов: ИПММ, 2010, 518 с. - С. 249-250.

22. О некоторых возможностях физического моделирования процесса равноканального углового прессования / А. В. Периг, И. И. Бойко, Е. А. Бондаренко и др. // «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы» - тезисы докладов Открытой школы-конференции стран СНГ. - Уфа: БашГУ, 2010, 302 с. - С. 261.

Особистий внесок здобувача у роботах, опублікованих у співавторстві

[1-4, 6, 18, 20] - побудова полів швидкостей за методом верхньої оцінки і розрахунок значень тиску пресування і накопиченої деформації зсуву; [5, 8-9, 11-13, 21] - розробка математичних моделей, формулювання граничних умов і програмна реалізація чисельних алгоритмів розв'язку рівнянь Нав'є-Стокса і переносу вихору для визначення енергосилових параметрів процесів кутового пресування в'язких матеріалів; [6, 10, 19, 22] - обробка експериментальних сіткових результатів для пластичної течії металевих заготівок у штампах із різною геометрією, розрахунок компонентів тензорів деформацій; [7, 15] - виконання кінематичного аналізу РККП металу при багатокутовому пресуванні через поворотний штамп; [14] - експериментальне визначення траєкторій частинок деформованого матеріалу при кутовому пресуванні із застосуванням дисперсних маркерів; [16] - виконання кінематичного аналізу для умов проковзування кульки із вхідного у вихідний канали кутового штампу; [17] - МСЕ моделювання контактної взаємодії кутового штампу і змінної вставки із заготівкою.

АНОТАЦІЯ

Періг О. В. Удосконалення процесів кутового пресування на основі моделювання рівноканальної пластичної течії матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2011.

Дисертаційна робота спрямована на підвищення ефективності процесів кутового пресування виробів і зниження технологічних відходів матеріалу.

Для рівноканальної пластичної течії металів через штампи різної геометрії на основі методів верхньої оцінки та скінченних елементів уточнено закономірності формування геометрії застійної зони, оцінено питомі навантаження на штамповий інструмент, визначено раціональні внутрішній та зовнішній радіуси закруглень штампів у зонах сполучення каналів, що дозволяє уточнити закономірності нестаціонарної пластичної течії початкової ділянки заготівки, її вплив на нерівномірність розподілу деформацій за перерізом та довжиною заготівки.

На основі чисельного скінченнорізницевого розв'язку крайової задачі для рівняння перенесення вихору розроблено чисельні алгоритми і програмні засоби для врахування впливу геометрії кутового штампу і особливостей плоскої рівноканальної течії деформівних матеріалів із урахуванням ефектів в'язкості на енергосилові параметри процесів кутового пресування.

На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені технологічні рекомендації щодо зниження технологічних відходів оброблюваного матеріалу шляхом вибору раціональної геометрії кутового штампу в зоні перетину каналів і форми деформуючого пуансону, а також шляхом застосування додаткових елементів між заготівкою та пуансоном. Запропоновано нові раціональні конструкції штампів для кутового пресування із додатковими зносостійкими вставками в зоні перетину каналів.

Ключові слова: інтенсивні пластичні деформації, рівноканальне кутове пресування, коефіцієнт використання матеріалу, напружено-деформований стан, рівняння Нав'є-Стокса, математичне моделювання, фізичне моделювання.



АННОТАЦИЯ

Периг А. В. Совершенствование процессов углового прессования на основе моделирования равноканального пластического течения материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2011.

Диссертационная работа направлена на решение актуальной задачи повышения качества изделий и снижения технологических отходов материала заготовки на основе развития методик расчета процесса равноканального углового прессования и выбора рациональных параметров штамповой оснастки. Выполнена систематизация существующих технологических режимов, конструктивных особенностей штамповой оснастки и методов расчёта напряженно-деформированного состояния при реализации процессов углового прессования. Установлено, что важнейшей технологической задачей при угловом прессовании с равноканальным пластическим течением деформируемых материалов является снижение технологических отходов за счет уменьшения начального нестационарного участка заготовки и снижения неравномерности распределения деформаций по сечению заготовки, а также учёта особенностей течения и напряженно-деформированного состояния материала заготовок. Поставленная задача решена на основе моделирования равноканального пластического течения материалов через штампы различной геометрии с учетом особенностей течения, напряженно-деформированного состояния и искажения формы начального участка заготовок при угловом прессовании, а также путем разработки инженерных методик выбора рациональных технологических параметров штамповой оснастки для процессов углового прессования.

Для пластического течения металлов на основе методов верхней оценки и конечных элементов уточнены закономерности формирования геометрии застойной зоны, оценены удельные нагрузки на штамповый инструмент, определены рациональные внутренний 0? r/a ?0,3 и внешний R/a=0,028 радиусы закруглений штампов в зонах пересечения каналов, что позволяет уточнить закономерности нестационарного пластического течения начального участка заготовки и его влияние на неравномерность распределения деформаций по сечению и длине деформируемой заготовки.

На основании численного конечноразностного решения краевых задач для уравнений Навье-Стокса и переноса вихря применительно к процессу равноканального углового прессования разработаны алгоритмы и программные средства для учета основных закономерностей влияния геометрии углового штампа и физико-механических свойств заготовок на характер течения деформируемого материала, возникновение макроротора и энергосиловые параметры процесса.

Достаточная степень достоверности полученных математических моделей подтверждена экспериментально с применением таких методов физического моделирования как методы слоистых моделей, маркеров, кольцевых и прямоугольных сеток. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологические рекомендации по снижению технологических отходов материала заготовки путем выбора рациональной геометрии углового штампа в зоне пересечения каналов и формы деформирующего пуансона, а также посредством использования дополнительных элементов между заготовкой и пуансоном. Предложены новые рациональные конструкции штампов для углового прессования с дополнительными износоустойчивыми вставками в зоне пересечения каналов. Ключевые слова: интенсивные пластические деформации, равноканальное угловое прессование, коэффициент использования материала, напряженно-деформированное состояние, уравнение Навье-Стокса, математическое моделирование, физическое моделирование.