АР13067723 «Разработка теоретических основ реализации инновационных совмещенных процессов деформирования цветных металлов и сплавов с целью получения в них мелкозернистой структуры»

Совмещенные процессы обработки давлением являются одними из самых перспективных способов деформирования. Они включают в себя два и более дискретных процесса деформирования. Такое комбинирование дает преимущества перед отдельными способами. Например, возможно обеспечение непрерывности процесса, реализуется расширение сортамента за счет деформирования длинномерных заготовок. Поэтому разработка новых совмещенных технологий деформирования, позволяющих получать заготовки высокого качества и их теоретическое обоснование, является актуальной задачей.

Основной идеей проекта является разработка теоретических основ новых совмещенных технологий деформирования цветных металлов и сплавов, позволяющих реализовать в материале интенсивные пластические деформации, что будет способствовать развитию и внедрению в производство новых инновационных технологий получения длинномерных металлоизделий с повышенным уровнем механических свойств.

1) Панин Евгений Александрович – PhD, ассоциированный профессор, доцент кафедры «Обработка металлов давлением», руководитель проекта.

Scopus ID: 55903153300  

ResearcherID: B-7581-2015 

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

2) Волокитин Андрей Валерьевич – PhD, доцент кафедры «Обработка металлов давлением», исполнитель проекта.

Scopus ID: 56524247500  

ResearcherID: U-8580-2018

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

3) Ахметова Гульжайнат Есенжоловна – PhD, ассоциированный профессор, доцент кафедры «Металлургия и материаловедение», исполнитель проекта.

Scopus ID: 57195377183

4) Волокитина Ирина Евгеньевна – PhD, ассоциированный профессор, профессор кафедры «Металлургия и материаловедение», исполнитель проекта.

Scopus ID: 55902810800  

ResearcherID: G-4526-2018

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

5) Толкушкин Андрей Олегович – магистр, исполнитель проекта.

Scopus ID: 57000494500

6) Есболат Айбол Батырханович – магистр, преподаватель кафедры «Обработка металлов давлением», исполнитель проекта.

Scopus ID: 57931507900 

ResearcherID: JMQ-0969-2023

На основе проведенного анализа научно-технической и патентной литературы будут разработаны 3 новых совмещенных процессов реализации в процессе деформирования интенсивной пластической деформации, позволяющих получать длинномерные изделия из цветных металлов и сплавов с ультрамелкозернистой структурой; будут определены аналитические зависимости усилий деформирования от геометрических и технологических параметров процесса «РКУП-Лайнекс», позволяющие определить рациональные параметры реализации данного процесса; будут построены компьютерные модели  нового совмещенного процесса «РКУП-Лайнекс» и установлено влияние технологических и геометрических параметров процесса на напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры и эволюцию микроструктуры материала заготовки.

Будут определены аналитические зависимости усилий деформирования, противодавления, скоростных характеристик от геометрических и технологических параметров процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками (1 пара валков горизонтальная, 2-я пара валков вертикальная); будут построены компьютерные модели  процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками и определены оптимальные параметры, обеспечивающие наилучшие напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры; с помощью методов Колмогорова (JMAK) и клеточных автоматов (Cellular Automata)  будет установлено влияние технологических и геометрических параметров процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками на изменение формы и размера зерен исходной структуры деформируемого материала.

Будет проведено моделирование процесса кристаллизации расплава в твердую заготовку для последующего деформирования; будут  определены оптимальные параметры  процесса «литье-прокатка-РКУП», обеспечивающие наилучшие напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры; будут получены зависимости технологических и геометрических параметров совмещенного процесса «литье-прокатка-РКУП» на изменение формы и размера зерен исходной структуры деформируемого материала; будут разработаны рекомендации по внедрению разработанных технологий в производство.

По результатам научных исследований будет опубликовано 2 (две) статьи в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, индексируемых в Science Citation Index Expanded базы Web of Science или имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 35 (тридцати пяти). Кроме этого, будет опубликована 1 (одна) статья в рецензируемом зарубежном или отечественном издании, рекомендованном КОКСОН. Результаты исследований будут доложены на международных европейских конференциях в Болгарии, Чехии, Польше или других международных конференциях дальнего зарубежья, а также на международных конференциях в России, Беларуси и Казахстане.

1 На основе проведенного анализа научно-технической и патентной литературы разработаны 3 новых совмещенных процессов реализации в процессе деформирования интенсивной пластической деформации, позволяющих получать длинномерные изделия из цветных металлов и сплавов с ультрамелкозернистой структурой

В ходе выполнения данного раздела было выявлено, что решение задачи получения ультрамелкозернистых материалов трудно обеспечить применением традиционных методов обработки металлов давлением. Перспективным направлением в развитии процессов ОМД является развитие сдвиговых деформаций, которые изменяют силовые характеристики процесса, так как упрочнение при сдвиге происходит меньше, чем при деформации растяжением или сжатием. Также, наряду с реализацией сдвиговых деформаций, перспективным направлением можно считать разработку и исследование способов обработки давлением, основанные на принципе интенсификации знакопеременной деформации, что позволит проработать структуру в осевой зоне металла и повысить качество готовых изделий. При анализе способов ОМД выявлено, что значительно повысить качество обрабатываемого металла позволяет реализация интенсивных пластических деформаций. Способы ОМД, позволяющие получать заготовки с ультрамелкозернистой структурой, характеризуются измельчением структуры заготовки в процессе деформирования, в результате чего повышаются механические и эксплуатационные свойства обрабатываемого металла. Но, проанализировав основные способы получения УМЗ материалов, был сделан вывод о том, что ни один из данных способов, по причине высоких энергозатрат, не готов для экономически оправданного широкого промышленного применения. Решить данную проблему можно, обеспечив процессу непрерывность и возможность деформирования длинномерных заготовок. Разработка совмещенных процессов ОМД, которые представляют собой сочетание двух и более обычных процессов деформирования, является наиболее новым и перспективным направлением развития и совершенствования способов ОМД. Главной особенностью совмещенных процессов ОМД является то, что зачастую при их реализации снижаются, либо полностью устраняются недостатки обычных процессов ОМД, которые входят в совмещенный процесс. Рассмотренные совмещенные процессы деформирования имеют существенные технологические преимущества перед классическими дискретными процессами ИПД. В то же время они также имеют определенные недостатки. Предложенные три новые концепции совмещенных процессов интенсивной пластической деформации направлены на дальнейшее повышение производительности деформирования. А наличие во всех трех предложенных вариантах схемы РКУП позволит осуществлять деформирование без существенного изменения исходных размеров заготовки.

2 Определены аналитические зависимости усилий деформирования от геометрических и технологических параметров процесса «РКУП-Лайнекс», позволяющие определить рациональные параметры реализации данного процесса. 

В данном разделе проведены теоретические исследования совмещенного процесса «РКУП-Лайнекс». Для анализа возникающих усилий деформирования по отдельности рассмотрены стадии прессования в матрице и обжатия ленточным конвейером. Полученные формулы проверены в ходе пробного расчета. Сравнительный анализ с ранее известным процессом «прокатка-РКУП» показал, что новый процесс «РКУП-Лайнекс» позволяет осуществлять стабильный процесс деформирования при меньших значениях усилий и меньшей величине угла стыка каналов в матрице, что приведет к повышению уровня проработки металла на стадии прессования.

3 Построены компьютерные модели  нового совмещенного процесса «РКУП-Лайнекс» и установлено влияние технологических и геометрических параметров процесса на напряженно-деформированное состояние, энергосиловые параметры и эволюцию микроструктуры материала заготовки. 

В данном разделе проведено конечно-элементное моделирование процесса «РКУП-Лайнекс». Для корректной симуляции процесса представлена методика с последовательным вводом в расчет звеньев конвейера. Для анализа эффективности проработки металла рассмотрены основные параметры НДС: экививалентная деформация, эквивалентное напряжение и среднее гидростатическое давление, а также эволюция микроструктуры и усилие деформирования на основных элементах совмещенного процесса: шкив, матрица и звено конвейера. Проведение вариационного моделирования позволило оценить вышеукзанные параметры при изменении основных технологических и геометрических параметров процесса. В качестве параметра оптимизации при обработке давлением обычно рассматривают либо уровень проработки металла, от которого напрямую зависит интенсивность измельчения зерна, либо усилие деформирования. С этой точки зрения матрица с углом 125° является наиболее оптимальной по уровню измельчения зерна, и одновременно нерекомендуемой по усилию. При этом матрица с углом 155° имеет противоположные рекомендации. Поэтому в данном совмещенном процессе можно рекомендовать использовать матрицу с углом 140°, как золотую середину. Повышение температуры нагрева заготовки ниже точки начала рекристаллизации благоприятно сказывается на снижении энергосиловых параметрах при почти неизменном уровне проработки металла. Изменение скоростных характеристик не имеет ярко выраженных положительных или отрицательных свойств, кроме снижения уровня удлинения зерен по причине уменьшения растягивающих напряжений в наклонном канале матрицы при пониженной скорости деформации. Поэтому можно рекомендовать любой из рассмотренных скоростных вариантов. Коэффициенты трения в матрице и конвейере должны иметь предельные значения, установленные в базовой модели (0,7 для конвейера и 0,05 для матрицы), их изменение приводит к нарушению стабильности деформирования. Аналогично не рекомендуется увеличивать базовые длины каналов матрицы: 30 мм для первого канала, 20 мм для второго канала, 15 мм для третьего канала. Увеличение второго канала приводит к заклиниванию заготовки, а увеличение первого и третьего каналов будет нерациональным решением, поскольку в этой случае не зафиксировано существенных изменений в НДС, усилиях или микроструктуре.

4 Определены аналитические зависимости усилий деформирования, противодавления, скоростных характеристик от геометрических и технологических параметров процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками (1 пара валков горизонтальная, 2-я пара валков вертикальная)

В данном разделе было проведено аналитическое исследование энергосиловых и кинематических параметров совмещенного процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками. На основании ранее проведенных исследований совмещенного процесса с двумя парами горизонтальных валков были получены теоретические зависимости для определения сил подпора в матрице. Проведен кинематический расчет процесса «прокатка-РКУП» с использованием гладких и калиброванных валков для определения параметров, обеспечивающих непрерывность данного процесса. Было выявлено, что помимо скорости металла на выходе из матрицы ключевым фактором является диаметр второй пары валков, варьированием значения которого можно добиться оптимальной скорости валков для осуществления данного совмещенного процесса.

5 Построены компьютерные модели процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками и определены оптимальные параметры, обеспечивающие наилучшие напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры.

В данном разделе было проведено конечно-элементное моделирование процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками. Для анализа эффективности проработки металла были рассмотрены основные параметры НДС: экививалентная деформация, эквивалентное напряжение, среднее гидростатическое давление, а также усилие деформирования на основных элементах совмещенного процесса: две пары прокатных валков и равноканальная ступенчатая матрица. Для вариационного моделирования были построены модели с изменением таких технологических параметров, как температура нагрева заготовки и скорость деформирования.

В качестве ключевого параметра при обработке давлением обычно рассматривают либо уровень проработки металла, что зависит от эквивалентной деформации, либо усилие деформирования. С этой точки зрения наиболее оптимальным вариантом является базовая модель, в которой заготовка нагревалась до 100°С и деформирование проводилось при окружной скорости первой пары валков 60 об/мин. Варианты с одиночным снижением температуры до 20°С, либо скорости деформирования до 35 об/мин также дают приемлемые результаты всем рассмотренным показателям. Однако снижение скорости деформирования до 10 об/мин приводит к невозможности осуществления стабильного протекания процесса при любой температуре.

6 С помощью методов Колмогорова (JMAK) и клеточных автоматов (Cellular Automata) установлено влияние технологических и геометрических параметров процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками на изменение формы и размера зерен исходной структуры деформируемого материала.

В данном разделе было проведено конечно-элементное моделирование эволюции микроструктуры совмещенного процесса «прокатка-РКУП» с комбинированными валками методами JMAK и Cellular Automata. Анализ данных эволюции микроструктуры позволяет подтвердить вывод, сделанный ранее при анализе НДС – наиболее оптимальным вариантом является базовая модель, в которой заготовка нагревалась до 100°С и деформирование проводилось при окружной скорости первой пары валков 60 об/мин. В то же время варианты с одиночным снижением температуры до 20°С, либо скорости деформирования до 35 об/мин также дают хорошие результаты по измельчению зерна, лишь немного уступая базовой модели в интенсивности измельчения. При этом использование метода Cellular Automata дает преимущество перед методом JMAK и получении данных не только об изменении размера зерна, но и его формы.

7. Проведено моделирование процесса кристаллизации расплава в твердую заготовку для последующего деформирования. Определены рациональные технологические параметры процесса, позволяющие получать заготовку с минимальной долей жидкого расплава в сердцевине, которая на выходе сразу пригодна для деформирования.

8. Определены оптимальные параметры процесса «литье-прокатка-РКУП», обеспечивающие наилучшие напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры путем конечно-элементного моделирования процесса «прокатка-РКУП» для заготовки, полученной на предыдущем этапе исследований.

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 (индексируется в Russian Science Citation Index (RSCI) размещенной на платформе Web of Science – приравнивается к КОКСОН РК) — 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.