АР13067723 «Ұсақ түйіршікті құрылымды алу мақсатында түсті металдар мен қорытпаларды деформациялаудың инновациялық біріктірілген процестерін іске асырудың теориялық негіздерін әзірлеу»

Біріктірілген қысымды өңдеу процестері деформацияның ең перспективалы әдістерінің бірі болып табылады. Олар екі немесе одан да көп дискретті деформация процестерін қамтиды. Бұл комбинация жеке әдістерге қарағанда артықшылықтар береді. Мысалы, процестің үздіксіздігін қамтамасыз етуге болады, ұзын өлшемді дайындамаларды деформациялау арқылы сортты кеңейту жүзеге асырылады. Сондықтан жоғары сапалы дайындамалар мен олардың теориялық негіздемесін алуға мүмкіндік беретін жаңа бірлескен деформация технологияларын әзірлеу өзекті міндет болып табылады.

Жобаның негізгі идеясы материалда қарқынды пластикалық деформацияларды жүзеге асыруға мүмкіндік беретін түсті металдар мен қорытпаларды деформациялаудың жаңа біріктірілген технологияларының теориялық негіздерін әзірлеу болып табылады, бұл механикалық қасиеттерінің жоғары деңгейі бар ұзын өлшемді металл бұйымдарын алудың жаңа инновациялық технологияларын дамытуға және өндіріске енгізуге ықпал етеді.

1) Панин Евгений Александрович – PhD, қауымдастырылған профессор, «Металдарды қысыммен өңдеу» кафедрасының доценті, жоба жетекшісі.

Scopus ID: 55903153300  

ResearcherID: B-7581-2015 

https://orcid.org/0000-0001-6830-0630

2) Волокитин Андрей Валерьевич – PhD, «Металдарды қысыммен өңдеу» кафедрасының доценті, жобаны орындаушы.

Scopus ID: 56524247500  

ResearcherID: U-8580-2018

 https://orcid.org/0000-0002-0886-3578

3) Ахметова Гульжайнат Есенжоловна – PhD, қауымдастырылған профессор, «Металлургия және материалтану» кафедрасының доценті, жобаны орындаушы.

Scopus ID: 57195377183

4) Волокитина Ирина Евгеньевна – PhD, қауымдастырылған профессор, «Металлургия және материалтану» кафедрасының профессоры, жобаны орындаушы.

Scopus ID: 55902810800  

ResearcherID: G-4526-2018

https://orcid.org/0000-0002-2190-5672

5) Толкушкин Андрей Олегович – магистр, жоба орындаушысы.

Scopus ID: 57000494500

6) Есболат Айбол Батырханович – магистр, «Металдарды қысыммен өңдеу» кафедрасының оқытушысы, жобаны орындаушы.

Scopus ID: 57931507900 

ResearcherID: JMQ-0969-2023

Жүргізілген ғылыми-техникалық және патенттік әдебиеттерді талдау негізінде ультра ұсақ түйіршікті құрылымы бар түсті металдар мен қорытпалардан ұзын өлшемді бұйымдарды алуға мүмкіндік беретін қарқынды пластикалық деформацияны деформациялау процесінде іске асырудың 3 жаңа біріктірілген процесі әзірленетін болады; деформациялау күштерінің «РКУП-Лайнекс» процесінің геометриялық және технологиялық параметрлеріне аналитикалық тәуелділігі анықталатын болады, бұл іске асырудың ұтымды параметрлерін анықтауға мүмкіндік береді бұл процесс; «РКУП-Лайнекс» жаңа бірлескен процесінің компьютерлік модельдері құрылатын болады және процестің технологиялық және геометриялық параметрлерінің кернеулі-деформацияланған күйге, энергия-қуат параметрлеріне және дайындама материалының микроқұрылымының эволюциясына әсері белгіленеді.

Деформациялау күштерінің, кері қысымның, жылдамдық сипаттамаларының аралас орамдармен «илемдеу-РКУП» процесінің геометриялық және технологиялық параметрлеріне аналитикалық тәуелділігі айқындалатын болады (1 жұп орамдар көлденең, 2 жұп орамдар тік); аралас орамдармен «илемдеу-РКУП» процесінің компьютерлік модельдері салынатын болады және ең жақсы шиеленісті қамтамасыз ететін оңтайлы параметрлер айқындалатын болады- деформацияланған күй және қуат параметрлері; Колмогоров (JMAK) және ұялы автоматтар (Cellular Automata) әдістерінің көмегімен Деформацияланатын материалдың бастапқы құрылымының дәндерінің пішіні мен мөлшерінің өзгеруіне аралас орамдары бар «илемдеу-РКУП» процесінің технологиялық және геометриялық параметрлерінің әсері белгіленеді.

Кейіннен деформациялау үшін балқыманы қатты дайындамаға кристалдану процесін модельдеу жүргізілетін болады; ең жақсы кернеулі-деформацияланған күйді және энергия-қуат параметрлерін қамтамасыз ететін «құю-илемдеу-РКУП» процесінің оңтайлы параметрлері айқындалатын болады; бастапқы құрылым дәндерінің пішіні мен мөлшерін өзгертуге «құю-илемдеу-РКУП» аралас процесінің технологиялық және геометриялық параметрлеріне тәуелділіктер алынатын болады Деформацияланатын материал; өндіріске әзірленген технологияларды енгізу бойынша ұсынымдар әзірленетін болады.

Ғылыми зерттеулердің нәтижелері бойынша Web of Science базасының Science Citation Index Expanded индекстелетін немесе Scopus базасында кемінде 35 (отыз бес) CiteScore бойынша процентилі бар жобаның ғылыми бағыты бойынша рецензияланатын ғылыми басылымдарда 2 (екі) мақала жарияланады. Бұдан басқа, КОКСОН ұсынған рецензияланатын шетелдік немесе отандық басылымда 1 (бір) мақала жарияланады. Зерттеу нәтижелері Болгариядағы, Чехиядағы, Польшадағы халықаралық еуропалық конференцияларда немесе алыс шетелдегі басқа халықаралық конференцияларда, сондай-ақ Ресейдегі, Беларуссиядағы және Қазақстандағы халықаралық конференцияларда баяндалады.

1 Жүргізілген ғылыми-техникалық және патенттік әдебиеттерді талдау негізінде ультра ұсақ түйіршікті құрылымы бар түсті металдар мен қорытпалардан ұзын өлшемді бұйымдар алуға мүмкіндік беретін қарқынды пластикалық деформацияны деформациялау процесінде іске асырудың 3 жаңа біріктірілген процесі әзірленді

Осы бөлімді орындау барысында ультра ұсақ түйіршікті материалдарды алу мәселесін шешуді металдарды қысыммен өңдеудің дәстүрлі әдістерін қолдану арқылы қамтамасыз ету қиын екендігі анықталды. МҚӨ процестерін дамытудағы перспективалық бағыт-бұл процестің күштік сипаттамаларын өзгертетінвигысу деформацияларының дамуы, өйткені сдысу кезінде қатаю созылу немесе қысу деформациясына қарағанда аз болады. Сондай-ақ, вигысу деформацияларын жүзеге асырумен қатар, металдың осьтік аймағында құрылымды өңдеуге және дайын өнімнің сапасын арттыруға мүмкіндік беретін ауыспалы деформацияны күшейту принципіне негізделген қысымды өңдеу әдістерін әзірлеу және зерттеу перспективалық бағыт деп санауға болады. МҚӨ әдістерін талдау кезінде қарқынды пластикалық деформацияларды жүзеге асыру өңделген металдың сапасын едәуір арттыруға мүмкіндік беретіні анықталды. Ультра ұсақ түйіршікті құрылымы бар дайындамаларды алуға мүмкіндік беретін МҚӨ әдістері деформация процесінде дайындаманың құрылымын ұнтақтаумен сипатталады, нәтижесінде өңделетін металдың механикалық және пайдалану қасиеттері артады. Бірақ УҰТ материалдарын алудың негізгі тәсілдерін талдай отырып, жоғары энергия шығыны себебінен осы әдістердің ешқайсысы экономикалық негізделген кең Өнеркәсіптік қолдануға дайын емес деген қорытындыға келді. Бұл мәселені процестің үздіксіздігін және ұзын өлшемді дайындамаларды деформациялау мүмкіндігін қамтамасыз ету арқылы шешуге болады. Екі немесе одан да көп әдеттегі деформация процестерінің үйлесімі болып табылатын біріктірілген МҚӨ процестерін әзірлеу МҚӨ әдістерін дамыту мен жетілдірудің ең жаңа және перспективалы бағыты болып табылады. Біріктірілген МҚӨ процестерінің басты ерекшелігі-оларды жүзеге асыру кезінде көбінесе бірлескен процеске кіретін әдеттегі МҚӨ процестерінің кемшіліктері азаяды немесе толығымен жойылады. Қарастырылған бірлескен деформация процестері классикалық дискретті ҚПД процестеріне қарағанда айтарлықтай технологиялық артықшылықтарға ие. Сонымен қатар, олардың белгілі бір кемшіліктері бар. Біріктірілген қарқынды пластикалық деформация процестерінің ұсынылған үш жаңа тұжырымдамасы деформация өнімділігін одан әрі арттыруға бағытталған. Барлық ұсынылған үш нұсқада ТАБ схемасының болуы дайындаманың бастапқы өлшемдерін айтарлықтай өзгертпестен деформациялауға мүмкіндік береді.

2 Деформация күштерінің осы процесті іске асырудың ұтымды параметрлерін анықтауға мүмкіндік беретін «ТАБП-Лайнекс» процесінің геометриялық және технологиялық параметрлеріне аналитикалық тәуелділігі анықталды.

Бұл бөлімде «ТАБП-Лайнекс» бірлескен процесіне теориялық зерттеулер жүргізілді. Пайда болған деформация күштерін талдау үшін матрицадағы престеу және таспалы конвейермен қысу кезеңдері жеке қарастырылады. Алынған формулалар сынақ есебі барысында тексерілді. Бұрын белгілі болған «илектеу-ТАБП» процесімен салыстырмалы талдау жаңа «ТАБП-Лайнекс» процесі күштердің аз мәндерімен және матрицадағы арналардың түйісу бұрышының аз мөлшерімен тұрақты деформация процесін жүзеге асыруға мүмкіндік беретінін көрсетті, бұл престеу сатысында металды өңдеу деңгейінің жоғарылауына әкеледі.

3 «ТАБП-Лайнекс» жаңа бірлескен процесінің компьютерлік модельдері құрылды және процестің технологиялық және геометриялық параметрлерінің кернеулі-деформацияланған күйге, энергия-қуат параметрлеріне және дайындама материалының микроқұрылымының эволюциясына әсері анықталды.

Бұл бөлімде «ТАБП-Лайнекс» процесін ақырлы-элементтік модельдеу жүргізілді. Процесті дұрыс модельдеу үшін конвейердің сілтемелерін дәйекті түрде есептеу әдісі ұсынылған. Металды өңдеу тиімділігін талдау үшін КДК негізгі параметрлері қарастырылады: эквивалентті деформация, эквивалентті кернеу және орташа гидростатикалық қысым, сонымен қатар микроқұрылымның эволюциясы және біріктірілген процестің негізгі элементтеріндегі деформация күші: шкив, матрица және конвейер буыны. Вариациялық модельдеуді жүргізу процестің негізгі технологиялық және геометриялық параметрлері өзгерген кезде жоғарыда аталған параметрлерді бағалауға мүмкіндік берді. Қысыммен өңдеу кезінде оңтайландыру параметрі ретінде әдетте Астықты ұнтақтау қарқындылығы немесе деформация күші тікелей байланысты болатын металдың жұмыс деңгейі қарастырылады. Осы тұрғыдан алғанда, 125° бұрышы бар матрица дәнді ұнтақтау деңгейі бойынша ең оңтайлы болып табылады және сонымен бірге күшпен ұсынылмайды. Бұл жағдайда 155° бұрышы бар матрица қарама-қарсы ұсыныстарға ие. Сондықтан, осы біріктірілген процесте 140° бұрышы бар матрицаны орта ретінде пайдалануға кеңес беруге болады. Қайта кристалданудың басталу нүктесінен төмен дайындаманың қыздыру температурасының жоғарылауы металды өңдеудің өзгермейтін деңгейінде энергия параметрлерінің төмендеуіне жағымды әсер етеді. Жылдамдық сипаттамаларының өзгеруі деформация жылдамдығы төмендеген кезде матрицаның көлбеу арнасындағы созылу кернеулерінің төмендеуіне байланысты дәндердің ұзару деңгейінің төмендеуінен басқа айқын оң немесе теріс қасиеттерге ие емес. Сондықтан қарастырылған жылдамдық нұсқаларының кез келгенін ұсынуға болады. Матрица мен конвейердегі үйкеліс коэффициенттері базалық модельде белгіленген шекті мәндерге ие болуы керек (конвейер үшін 0,7 және матрица үшін 0,05), олардың өзгеруі деформация тұрақтылығының бұзылуына әкеледі. Сол сияқты, матрицалық арналардың негізгі ұзындығын ұлғайту ұсынылмайды: Бірінші арна үшін 30 мм, екінші арна үшін 20 мм, үшінші арна үшін 15 мм. Екінші арнаның ұлғаюы дайындаманың кептелуіне әкеледі, ал бірінші және үшінші арналардың ұлғаюы ұтымсыз шешім болады, өйткені бұл жағдайда КДК, күш немесе микроқұрылымда айтарлықтай өзгерістер тіркелмеген.

4 Деформация күштерінің, кері қысымның, жылдамдық сипаттамаларының құрамдастырылған біліктері бар «илектеу-ТАБП» үрдісінің геометриялық және технологиялық параметрлеріне аналитикалық тәуелділігі анықталды (1 жұп біліктер көлденең, 2 жұп біліктер тік)

Бұл бөлімде құрамдастырылған біліктермен «илектеу-ТАБП» бірлескен үрдісінің энергия-күш және кинематикалық параметрлеріне аналитикалық зерттеу жүргізілді. Екі жұп көлденең біліктермен біріктірілген үрдісті бұрын жүргізілген зерттеулер негізінде матрицадағы тірек күштерін анықтау үшін теориялық тәуелділіктер алынды. Осы үрдістің үздіксіздігін қамтамасыз ететін параметрлерді анықтау үшін тегіс және калибрленген біліктерді қолдана отырып, «илектеу-ТАБП» үрдісінің кинематикалық есебі жүргізілді. Матрицадан шығатын металдың жылдамдығынан басқа, екінші жұп біліктің диаметрі шешуші фактор болып табылатыны анықталды, оның мәнінің өзгеруі осы біріктірілген үрдісті жүзеге асыру үшін біліктердің оңтайлы жылдамдығына қол жеткізуге болады.

5 Құрамдастырылған біліктері бар «илектеу-ТАБП» үрдісінің компьютерлік модельдері жасалды және ең жақсы кернеулі-деформацияланған күй мен энергокүш параметрлерін қамтамасыз ететін оңтайлы параметрлер анықталды.

Бұл бөлімде құрамдастырылған біліктермен «илектеу-ТАБП» үрдісін соңғы-элементтік модельдеу жүргізілді. Металды өңдеу тиімділігін талдау үшін КДК-ның негізгі параметрлері қарастырылды: эквивалентті деформация, эквивалентті кернеу, орташа гидростатикалық қысым, сондай-ақ біріктірілген үрдістің негізгі элементтеріндегі деформация күші: екі жұп илектеу біліктері және тең арналы сатылы матрица. Вариациялық модельдеу үшін дайындаманың қыздыру температурасы және деформация жылдамдығы сияқты технологиялық параметрлердің өзгеруімен модельдер жасалды.

Қысыммен өңдеу кезінде негізгі параметр ретінде әдетте эквивалентті деформацияға тәуелді металдың жұмыс деңгейі немесе деформация күші қарастырылады. Осы тұрғыдан алғанда, ең жақсы нұсқа базалық модель, онда дайындама 100°C дейін қызады және деформация біліктердің бірінші жұбының 60 айн/мин айналмалы жылдамдығымен жүргізілді. Температураны 20°C дейін немесе деформация жылдамдығын 35 айн/мин дейін төмендететін нұсқаларда да қарастырылған барлық көрсеткіштерге қолайлы нәтиже береді. Алайда, деформация жылдамдығын 10 айн/мин дейін төмендету кез-келген температурада үрдістің тұрақты жүруін жүзеге асырудың мүмкін еместігіне әкеледі.

6 Колмогоров (JMAK) және клетті автоматтар (Cellular Automata) әдістерінің көмегімен деформацияланатын материалдың бастапқы құрылымының түйіршіктерінің формасы мен өлшемінің өзгеруіне құрамдастырылған біліктері бар «илектеу-ТАБП» үрдісінің технологиялық және геометриялық параметрлерінің әсері анықталды.

Бұл бөлімде JMAK және Cellular Automata әдістерімен құрамдастырылған біліктермен «илектеу-ТАБП» бірлескен үрдісінің микроқұрылымының эволюциясын соңғы-элементтік модельдеу жүргізілді. Микроқұрылымның эволюциялық деректерін талдау КДК-ны талдау кезінде бұрын жасалған қорытындыны растауға мүмкіндік береді-ең оңтайлы нұсқа дайындаманы 100°C дейін қыздырған және деформация біліктердің бірінші жұбының 60 айн/мин айналмалы жылдамдығымен жүргізген базалық модель. Дәл сол уақытта, температураны 20°C дейін немесе деформация жылдамдығын 35 айн/мин дейін төмендететін нұсқалар түйіршікті ұсақтауда жақсы нәтиже береді, тек ұсақтау қарқындылығында базалық модельден сәл төмен. Сонымен қатар, Cellular Automata әдісін қолдану JMAK әдісіне қарағанда түйіршік өлшемін ғана емес, оның форма өзгерту туралы да деректерді алуда артықшылық береді.

7. Балқыманы кейіннен деформациялау үшін қатты дайындамаға кристалдану процесін модельдеу жүргізілді. Процестің ұтымды технологиялық параметрлері анықталды, бұл өзектегі сұйық балқыманың ең аз үлесі бар дайындаманы алуға мүмкіндік береді, ол шығуда бірден деформацияға жарамды.

8. Зерттеудің алдыңғы кезеңінде алынған дайындама үшін «илектеу-ТАБП» процесін ақырлы-элементтік модельдеу арқылы ең жақсы кернеулі-деформацияланған күйді және энергия-қуат параметрлерін қамтамасыз ететін «құю-илектеу-ТАБП» процесінің оңтайлы параметрлері анықталды.

1. Panin E.A., Naizabekov A.B., Volokitin A.V., Akhmetova G.E., Volokitina I.E., Tolkushkin A.O. New concepts of severe plastic deformation combined processes. VII International scientific conference “Industry 4.0”. 22–25 June, 2022, Varna, Bulgaria, Vol. 1, pp. 101-103.

2. E. Panin, I. Volokitina, A. Volokitin, A. Naizabekov, G. Akhmetova, S. Lezhnev, A. Tolkushkin, A. Esbolat, R. Yordanova, Finite Element Modeling of ECAP-Linex Combined Process of Severe Plastic Deformation, Modelling and Simulation in Engineering, 2023, – 1573884. https://doi.org/10.1155/2023/1573884 (Scopus, 62-й процентиль);

3. Панин Е.А., Ахметова Г.Е., Волокитина И.Е. Теоретическое исследование силовых параметров совмещенного процесса «РКУП-Лайнекс» // Глобальная энергия. 2023. Т. 29, № 1. С. 157–169 (Web of Science платформасында орналастырылған Russian Science Citation Index (RSCI) индекстелген-ҚР КОКСОН-мен теңестірілген) – https://doi.org/10.18721/JEST.29109;

4. Е.А. Панин, А.В. Волокитин. Конечно-элементное моделирование эволюции микроструктуры при деформировании методом «РКУП-Лайнекс». МНТК молодых ученых «Инновационные материалы и технологии – 2023». г. Минск, Республика Беларусь. 21-23 марта 2023 г. – с. 237-241;

5. Е.А. Панин, А.В. Волокитин, А.Б. Найзабеков, С.Н. Лежнев, И.Е. Волокитина. Исследование совмещенных процессов интенсивной пластической деформации с помощью моделирования методом конечных элементов. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2023. Том 10, №2. – c. 11-15.

6. Панин Е.А., Есболат А.Б., Уткин Н.Е., Волокитин А.В., Ахметова Г.Е. Новые схемы совмещенных процессов деформирования для эффективной проработки металла. Третья Международная школа-конференция молодых ученых «Кайбышевские чтения», 16-21 октября, Уфа, Россия, С. 104-105.