AP14869080 «Түсті металдар мен қорытпалардан жоғары сапалы қалың парақ алуды қамтамасыз ететін макро-жылжымалы илемдеудің инновациялық әдісін әзірлеу және зерттеу»

Қысыммен өңдеу процесінде металл бұйымдарының сапасын арттыру қазіргі заманғы инженерияның ең өзекті міндеттерінің бірі болып қала береді. Металл өнімдерінің сапасын жақсартудың көптеген әдістерінің ішінде қарқынды пластикалық деформацияны жүзеге асыратын МҚӨ әдістері ерекше орын алады. Бұл қысыммен өңдеу әдістері металдың бастапқы құйылған құрылымын жақсартып қана қоймайды-олар бастапқы түйіршік өлшемін ұсақ түйіршікті күйге дейін ұнтақтай алады, бұл металға механикалық өнімділіктің айтарлықтай өсуін береді. Сондықтан бастапқы Материалды өңдеу деңгейін едәуір арттыруға мүмкіндік беретін қысыммен өңдеудің жаңа әдістерін әзірлеу өзекті міндет болып табылады.

Жобаның негізгі идеясы-ұсақ түйіршікті құрылымы және механикалық қасиеттерінің жоғары деңгейі бар жоғары сапалы қалың парақты алуға мүмкіндік беретін түсті металдар мен қорытпаларды Илемдеудің жаңа әдісін әзірлеу және зерттеу.

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) Арбуз Александр Сергеевич – PhD, АEО «Nazarbayev University», Research Facility Coordinator. Жобаны орындаушы

Scopus ID: 55888544600  

ResearcherID: K-5828-2013  

https://orcid.org/0000-0002-2081-0612

3) Ержанов Алмас Сатыбалдыевич – PhD, қауымдастырылған профессор, «Металлургия және материалтану» кафедрасының меңгерушісі, жобаны орындаушы.

Scopus ID: 56524559600

ResearcherID:  AFL-9951-2022 

https://orcid.org/0000-0002-8990-5919 

4) Куис Дмитрий Валерьевич – т.ғ. к., қауымдастырылған профессор, «Металлургия және материалтану« кафедрасының меңгерушісі, Беларусь мемлекеттік технологиялық университеті, жобаның орындаушысы.

Scopus ID: 56769768000

ResearcherID: AAO-9153-2020 

5) Толкушкин Андрей Олегович – магистр, жоба орындаушысы.

Scopus ID: 57000494500

https://orcid.org/0000-0002-8470-574X 

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

Scopus ID: 57931507900 

ResearcherID: JMQ-0969-2023

7) Крупенькин Иван Иванович – магистр, жоба орындаушысы.

Scopus ID: 57219172987 

Ғылыми-техникалық және патенттік әдебиеттерді талдау негізінде асимметрия әсерін қолдана отырып, жаңа конструкцияның орамдарында қалың жапырақты Илемдеудің жаңа инновациялық әдісі жасалады; компьютерлік ақырлы-элементтік модельдеудің көмегімен ұсынылған технология бойынша деформация кезінде дайындаманың пішінін өзгерту заңдылықтары орнатылады.

Соңғы элементтер әдісімен деформация процесінің әртүрлі параметрлерінің әсерін жан-жақты зерттеу барысында кернеулі-деформацияланған күйдің, энергия-қуат параметрлерінің және микроқұрылым эволюциясының өзгеру заңдылықтары белгіленеді, соның негізінде жаңа технологияны табысты іске асырудың оңтайлы параметрлері айқындалады; жаңа конструкция орамдарында илемдеу кезінде жанасу қысымы мен күш-жігерді анықтау бойынша аналитикалық тәуелділіктер алынатын болады; жаңа конструкция орамдарының жұмыс сызбаларын әзірлеу, сондай-ақ ұсынылған технология бойынша илемдеу үшін модификацияланған илемдеу торы бар диірменді құрастыру және сынау жүргізіледі.

Жаңа технология бойынша деформацияланған дайындамалардың тәжірибелік партиясы алынатын болады; осы процесті іске асырудың әртүрлі технологиялық және геометриялық параметрлерінен жаңа технология бойынша деформацияланған мыс дайындамаларының микроқұрылымы мен механикалық қасиеттерінің эволюциясының негізгі заңдылықтары белгіленетін болады; әзірленген деформациялау технологиясын өндіріске енгізу бойынша ұсыныстар әзірленетін болады.

Ғылыми зерттеулердің нәтижелері бойынша Web of Science базасының Science Citation Index Expanded индекстелетін және (немесе) Scopus базасында кемінде 35 (отыз бес) CiteScore бойынша процентилі бар рецензияланатын ғылыми басылымдарда 3 мақала және (немесе) шолулар жарияланатын болады. Сонымен қатар, КОКСОН ұсынған рецензияланған шетелдік немесе отандық басылымда 1 (бір) мақала немесе шолу жарияланады. Осы жоба бойынша зерттеулерді іске асыру барысында алынған нәтижелер Болгария, Беларусь және алыс және жақын шет елдердегі бірнеше халықаралық конференцияларда жеке немесе онлайн баяндалады.

1 Жүргізілген ғылыми-техникалық және патенттік әдебиеттерді талдау негізінде асимметрия әсерін қабаттастыра отырып, жаңа конструкцияның орамдарында қалың жапырақты Илемдеудің жаңа инновациялық әдісі әзірленді

Қарқынды пластикалық деформацияның дәстүрлі әдістері дәндерді ультра ұсақ түйіршікті деңгейге дейін қарқынды ұнтақтау тұрғысынан жақсы жұмыс істеді. Дегенмен, олар ұзақ өлшемді дайындамаларды өңдеу және үздіксіз деформацияны қамтамасыз ету мүмкін застігіне байланысты өнеркәсіптік және жаппай өндіріске жарамсыз. Бұл мәселелерді илемдеу процесі арқылы шешуге болады. Қарқынды пластикалық деформацияны жүзеге асыратын белгілі илемдеу әдістері шыбықтар немесе парақтар түрінде жоғары сапалы ұзын дайындамаларды алуға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл технологиялардың көпшілігі арнайы диірмен конструкцияларын (радиалдывигысу илемі) немесе дайындаманы өңдеу бойынша қосымша операцияларды (беттік өңдеу және криогендік салқындату) енгізуді қажет етеді. Асимметриялық Илемдеудің әртүрлі әдістері деформацияның жоғары деңгейін қамтамасыз етеді, бұл астықтың айтарлықтай ұсақталуына әкеледі. Жылдамдық асимметриясы (орамдардың айналу жылдамдығының айырмашылығымен) және геометриялық асимметрия (орамдардың диаметрінің айырмашылығымен) әдістері белсенді түрде әзірленуде. Рельефті роликтерде илемдеу-бұл дайындаманың қалыңдығы мен ені бойынша металды біркелкі өңдемейтін асимметриялық илемдеу процесі. Алайда, жылдамдықтың асимметриясының қосымша коэффициентін енгізу өңдеу деңгейінің айтарлықтай жоғарылауына әкелді.

2 Компьютерлік ақырлы-элементтік модельдеудің көмегімен ұсынылған технология бойынша деформация кезінде дайындаманың пішінін өзгерту заңдылықтары орнатылды

Бұл бөлімде ақырлы-элементтік модельдеуді қолдана отырып, рельефті роликтерде асиммтриялық илемдеу кезінде металдың өзгеруі зерттелді. Тегіс орамдарда асимметрияның кішкене деңгейі болса да, дайындама тік жазықтықта бүгіле бастайтыны анықталды. Қалыптасқан шығыңқы жерлер мен ойықтар қаттылық шеттері ретінде әрекет ететін дайындаманың бедерлі учаскесінің болуы бедерлі орамдардың деформация аймағынан шыққаннан кейін дайындаманың көлденең қозғалыс траекториясын сақтай отырып, іс жүзінде иілмейтіндігіне әкеледі. Бұл әсер геометриялық асимметрия схемасында да, жылдамдық асимметрия схемасында да байқалады. Бұл әсер рельефті роликтерде асимметриялық илемдеуді үздіксіз илемдеу схемасына енгізуге мүмкіндік береді.

3 Соңғы элементтер әдісімен деформация үрдісінің әртүрлі параметрлерінің әсерін жан-жақты зерттеу барысында кернеулі-деформацияланған күйдің өзгеру заңдылықтары, энергия-күш параметрлері және микроқұрылым эволюциясы анықталды, соның негізінде жаңа технологияны сәтті іске асырудың оңтайлы параметрлері анықталды.

Бұл бөлімде кернеулі-деформацияланған күйді, энергия-күш параметрлерін және микроқұрылым эволюциясын зерттеу мақсатында рельефті біліктерде асимметриялық илектеуді соңғы-элементтік модельдеу орындалды. Асимметрияның әртүрлі түрлерімен рельефті біліктерде илектеу үрдісін модельдеу нәтижелерін қарастыра отырып, контактілі асимметрия ең аз тиімді нұсқа болып табылады, ал кинематикалық және геометриялық асимметрия металды өңдеуде жақсы нәтиже көрсетті. Үрдістің соңғы схемасы илектеу станының технологиялық деректері негізінде таңдалуы керек.

Геометриялық асимметриямен нұсқаны одан әрі қарастыру кезінде радиалды және трапеция тәрізді рельефті модельдердегі кернеулі деформацияланған күйдің негізгі параметрлері мен деформация күштері салыстырылды. Кернеулер мен күштің жоғарылауына қарамастан, трапеция тәрізді рельефті қолдану радиалды рельефті қолданумен салыстырғанда металды өңдеу деңгейін шамамен 5 есе арттыруға мүмкіндік беретіні анықталды. Сондықтан рельефті біліктерде илектеуді жүзеге асырудың ең тиімді шешімі трапеция тәрізді рельефті қолдану болады.

Деформацияның технологиялық схемаларын салыстыру көрсеткендей, деформация дайындаманың 180 градустық көмкеру асимметрия факторының әсерін айтарлықтай төмендетеді. Бұл эквивалентті деформация деңгейінде де, оның биіктік айырмашылығында да, дайындаманың ені бойынша түйіршік өлшемінің таралуында да көрінеді. Өтулер арасындағы дайындаманың орналасуын өзгертпестен деформация керісінше әсер етеді, мұндай схема асимметрия факторының әсерін едәуір арттырады. Өтулер арасындағы рельеф кезеңіндегі дайындаманың көлденең ығысуымен деформация асимметрияның әсері болған кезде «алтын орта» әсеріне ие, бірақ деформация мәндері мен түйіршік өлшемінің айырмашылығы алдыңғы жағдайдағыдай үлкен емес.

4 Жаңа конструкцияның біліктерінде илектеу кезінде контакт қысымы мен күшін анықтау бойынша аналитикалық тәуелділіктер алынды.

Бұл бөлімде рельефті біліктердегі қалың парақты дайындамаларды илектеудің күштік параметрлерін теориялық зерттеу нәтижелері келтірілген. Орташа қысым мен илектеу күшін анықтау үшін эмпирикалық тәуелділіктер алынды. Қысымды зерттеу кезінде деформация схемасын тегіс аналогпен алмастыру әдісі қолданылды – трапеция тәрізді ұста тоқпақтарындағы тартқышпен. Орташа қысым теңдеуін шығару үшін жұмыс балансының әдісі қолданылады. Күшті талдау кезінде деформация ошағының геометриялық параметрлерін анықтау үшін соңғы элементтер әдісі қолданылды, содан кейін илектеу теориясынан белгілі формулаларға түзету коэффициенттерін енгізді. Алынған тәуелділіктерді тексеру М1 мыс қорытпасынан жасалған дайындамалардың үш қалыңдығы үшін компьютерлік модельдеу нәтижелерімен салыстыру арқылы жүзеге асырылды: 10 мм, 12,5 мм және 15 мм, дайындамалардың ені 400 мм. Салыстырмалы талдау есептеу және модельдеу нәтижелерінің жоғары ұқсастығын, сондай-ақ алынған формулаларды тек симметриялы илектеу үшін немесе жылдамдық асимметриясында ғана емес, сонымен қатар әртүрлі диаметрлі рельефті біліктерде илектеу жағдайында қолдану мүмкіндігін көрсетті.

5 Жаңа конструкциялы біліктердің жұмыс сызбаларын әзірлеу, сондай-ақ ұсынылған технология бойынша илектеуге арналған модификацияланған илектеу клеті бар станды құрастыру және сынау жүргізілді

Компьютерлік модельдеу нәтижелеріне сүйене отырып, «Компас» v.21 CAD жүйесін қолдана отырып, қалыңдығы 10, 12,5 және 15 мм дайындамаларды илектеу үшін геометриялық асимметрия 1,5 коэффициентін (жоғарғы біліктің диаметрі 200 мм, төменгі біліктің диаметрі 300 мм) қолдана отырып, рельефті біліктердің үшөлшемді қаттыденелі модельдері жасалды. Біліктер жиынтығын жасап, оларды илектеу станының клетіне орнатқаннан кейін, әзірленіп жатқан технологияны сынау, сондай-ақ компьютерлік модельдеу кезінде алынған формаөзгерісі туралы деректерді тексеру мақсатында қорғасын дайындамасында зертханалық эксперимент жүргізілді. Рельефті біліктерде илектелгеннен кейін дайындаманың геометриялық параметрлерін және тегіс біліктерде тегістеудің келесі екі өтуін салыстыру компьютерлік модельдеу нәтижелерінің ұқсастық деңгейі жоғары екенін көрсетті. Деформацияның әр кезеңінде модель мен эксперимент арасындағы дайындаманың геометриялық параметрлерінің айырмашылығы 3-5% – дан аспады.

6. М1 мыс қорытпасының жаңа технологиясы бойынша деформацияланған дайындамалардың тәжірибелік партиясы алынды. Өзгерудің негізгі факторы ретінде деформация циклдарының саны қолданылады (1-ден 3-ке дейін). Осы дайындамалардан микроқұрылымды зерттеу үшін темплеттер дайындалды, сонымен қатар механикалық қасиеттерді зерттеу үшін үлгілер кесілді.

1. A.B. Esbolat, E.A. Panin, A.S. Arbuz, A.B. Naizabekov, S.N. Lezhnev, A.S. Yerzhanov, I.I. Krupenkin, I.E. Volokitina and A.V. Volokitin. Development of Asymmetric Rolling as a Severe Plastic Deformation Method: A Review. Journal of Ultrafine Grained and Nanostructured Materials. 2022. Vol. 55. Iss. 2, Р. 97-111, – https://doi.org/10.22059/jufgnsm.2022.02.02 (Scopus, 15-й процентиль)

2. A. Esbolat, E. Panin, A. Arbuz, D. Kuis, S. Lezhnev,I. Krupenkin, M. Erpalov. Concepts analysis of asymmetry factor implementation during rolling in relief rolls. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 2022, Vol. 57, Iss. 6, P. 1243-1250, –  https://www.scopus.com/record/display.uri?eid (Scopus, 38-й процентиль)

3. A. Esbolat, E. Panin, A. Arbuz, D. Kuis, A. Naizabekov, S. Lezhnev, A. Yerzhanov, I. Krupenkin, A. Tolkushkin, A. Kawalek, D. Voroshilov. Investigation of force parameters during rolling in relief rolls. Journal of Chemical Technology and Metallurgy, 2023, Vol. 58, Iss. 5, P. 961-968, – https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2 (Scopus, 35-й процентиль)

4. Лежнев С.Н., Найзабеков А.Б., Панин Е.А., Есболат А.Б. Валки для прокатки толстых листов. Патент РК на полезную модель № 8066 (12.05.2023 бюл №19).

5. Есболат А.Б., Панин Е.А., Арбуз А.С., Куис Д.В., Ержанов А.С. Исследование силовых параметров при прокатке в рельефных валках. Материалы международного симпозиума «Перспективные материалы и технологии», Беларусь, Витебск, 21-25 августа 2023г. – С. 42-44.

6. E. Panin, A. Arbuz, A. Yerzhanov, S. Lezhnev, D. Goldabin, D. Kuis, A. Esbolat. Предпосылки для разработки нового способа толстолистовой прокатки. VIII International scientific conference “Industry 4.0”. 28 June – 01 July, 2023, Varna, Bulgaria, Vol. 1, pp. 70-72.

7. E. Panin, A. Arbuz, A. Yerzhanov, S. Lezhnev, A. Naizabekov, D. Kuis, A. Esbolat. Моделирование процесса прокатки толстого листа в валках различной конструкции. IX International scientific congress “Innovations 2023”. 26–29 June, 2023, Varna, Bulgaria, Vol. 1, pp. 33-35.

8. E. Panin, A. Esbolat, A. Arbuz, D. Kuis, A. Naizabekov, S. Lezhnev, A. Yerzhanov, I. Krupenkin, A. Tolkushkin, A. Kawalek, P. Tsyba, Investigation of the Efficiency of Roll Profiles and Technological Schemes of Deformation of Asymmetric Rolling in Relief Rolls of C11000 Copper Alloy by FEM Simulation, Modelling and Simulation in Engineering, 2024, Vol. 2024, –  2486940. https://doi.org/10.1155/2024/2486940 (Scopus, 56-й процентиль).