«Дослідження технології виготовлення пустотілих виробів методом комбінованого формоутворення»

Тараненко, Максим Олександрович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9166

Title:	«Дослідження технології виготовлення пустотілих виробів методом комбінованого формоутворення»
Authors:	Лега, Андрій Юрійович Тараненко, Максим Олександрович
Keywords:	Комбіноване формоутворення
Issue Date:	2024
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Дослідження технології виготовлення пустотілих виробів методом комбінованого формоутворення» Виконавець: студент групи мТМ-32 Тараненко Максим Олександрович. Керівник: кандидат історичних наук, доцент Лега Андрій Юрійович. Кваліфікаційна робота містить 82 сторінки формату А4, 37 рисунків, 10 таблиць, 44 літературних джерела. Технології формоутворення пустотілих виробів є важливим напрямком у сучасному машинобудуванні. Висока точність геометричних параметрів, мінімізація дефектів та зменшення залишкових напружень є ключовими завданнями при розробці технологічних процесів. Одним із перспективних підходів є комбіноване формоутворення, яке поєднує різні методи пластичної деформації для підвищення якості виробів. Розробка ефективних технологій гарячого ізотермічного штампування дозволяє покращити механічні характеристики матеріалу, зменшити утворення дефектів, таких як усадка та прокол, і підвищити коефіцієнт використання металу. Оптимізація цього процесу сприятиме підвищенню продуктивності та економічної ефективності виробництва. Розділ 1 – Проведено аналіз сучасних методів гарячого ізотермічного штампування, розглянуто їх переваги та недоліки, а також проблеми, пов’язані з утворенням дефектів у процесі комбінованого формоутворення пустотілих виробів. Розділ 2 – Виконано математичне моделювання ізотермічної кривої текучості алюмінієвих сплавів, визначено закономірності впливу швидкості деформації, температури та вмісту магнію на напругу текучості матеріалу. Розділ 3 – Досліджено напружено-деформований стан при гарячому штампуванні пустотілих осесиметричних виробів із фланцем. Визначено вплив комбінованого витискання на стабільність формоутворення та виявлено оптимальні параметри процесу. Розділ 4 – Розглянуто вимоги охорони праці та безпеки під час гарячої штамповки, зокрема заходи щодо мінімізації ризиків при виконанні технологічних операцій.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9166
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Тараненко.pdf Restricted Access		3.66 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Дослідження технології виготовлення пустотілих виробів методом
комбінованого формоутворення»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мТМ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Технології машинобудування»
Тараненко Максим Олександрович
Керівник: к.і.н., доцент Лега Андрій Юрійович
Рецензент: Інженер-технолог ТОВ «Юджин ЛТД»
м.Черкаси
Майстренко Вікторія Олександрівна

Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Технології машинобудування»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2024р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Тараненку Максиму Олександровичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Дослідження технології виготовлення пустотілих виробів
методом комбінованого формоутворення».
Керівник роботи Лега Андрій Юрійович, к.і.н., доцент
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«16» вересня 2024р. №272/04
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія комбінованого видавлювання для
отримання пустотілих виробів.; Обладнання для визначення механічних
властивостей матеріалу; Завдання до розділу охорона праці та безпека у НС
4. Зміст пояснювальної записки: Аналіз стану питання та завдання
дослідження; Дефекти, що виникають при гарячому ізотермічному
штампуванні осесиметричних виробів з фланцем; Побудова ізотермічної
кривої текучості алюмінієвих сплавів. математична модель; Математична
модель, що враховує вплив процентного вмісту магнію на напругу текучості;
Аналіз напружено-деформованого стану при гарячій штамповці пустотілих
осесиметричних виробів з фланцем; Порядок технологічного процесу
ізотермічного штампування; Охорона праці та безпека у НС
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі, об’єкт
дослідження, предмет дослідження; Схема гарячого об’ємного штампування
осесиметричного виробу з фланцем; Дефекти, що формуються під час
гарячого штампування; Поетапний процес зародження «усадки»; Результати
аналізу хімічного складу досліджуваних сплавів; Зміна мікроструктури в
зразках сплаву АМг6 після деформації стиском; Моделювання ізотермічного
штампування порожнистого осесиметричного виробу; Течія матеріалу в
осередку деформації; Розподіл швидкості деформації у трасованих точках
поблизу першої межі розриву швидкості; Охорона праці та безпека у НС;
Загальні висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-3 Лега Андрій Юрійович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024
8 Захист роботи 20.01.-21.01.2025р.

Здобувач ___________ Максим ТАРАНЕНКО
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ ___Андрій ЛЕГА__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Дослідження технології виготовлення
пустотілих виробів методом комбінованого формоутворення»
Виконавець: студент групи мТМ-32 Тараненко Максим Олександрович.
Керівник: кандидат історичних наук, доцент Лега Андрій Юрійович.
Кваліфікаційна робота містить 82 сторінки формату А4, 37 рисунків, 10
таблиць, 44 літературних джерела.
Технології формоутворення пустотілих виробів є важливим напрямком у
сучасному машинобудуванні. Висока точність геометричних параметрів,
мінімізація дефектів та зменшення залишкових напружень є ключовими
завданнями при розробці технологічних процесів. Одним із перспективних
підходів є комбіноване формоутворення, яке поєднує різні методи пластичної
деформації для підвищення якості виробів.
Розробка ефективних технологій гарячого ізотермічного штампування
дозволяє покращити механічні характеристики матеріалу, зменшити утворення
дефектів, таких як усадка та прокол, і підвищити коефіцієнт використання металу.
Оптимізація цього процесу сприятиме підвищенню продуктивності та економічної
ефективності виробництва.
Розділ 1 – Проведено аналіз сучасних методів гарячого ізотермічного
штампування, розглянуто їх переваги та недоліки, а також проблеми, пов’язані з
утворенням дефектів у процесі комбінованого формоутворення пустотілих виробів.
Розділ 2 – Виконано математичне моделювання ізотермічної кривої текучості
алюмінієвих сплавів, визначено закономірності впливу швидкості деформації,
температури та вмісту магнію на напругу текучості матеріалу.
Розділ 3 – Досліджено напружено-деформований стан при гарячому
штампуванні пустотілих осесиметричних виробів із фланцем. Визначено вплив
комбінованого витискання на стабільність формоутворення та виявлено
оптимальні параметри процесу.
Розділ 4 – Розглянуто вимоги охорони праці та безпеки під час гарячої
штамповки, зокрема заходи щодо мінімізації ризиків при виконанні технологічних
операцій.

5
ABSTRACT
Master's Qualification Work Topic: " Research on the technology of manufacturing
hollow products using the combined molding method "
Performer: Student of Group mTM-32, Taranenko Maksym
Supervisor: Candidate of Historical Sciences, Associate Professor Andrii Leha.
The qualification thesis consists of 82 A4 pages, 37 figures, 10 tables, and 44
references.
The technology of hollow part formation is a crucial area in modern mechanical
engineering. Achieving high geometric accuracy, minimizing defects, and reducing
residual stresses are key objectives in the development of technological processes. One
of the promising approaches is combined forming, which integrates various plastic
deformation methods to enhance product quality.
The development of efficient hot isothermal stamping technologies allows for
improving the mechanical properties of the material, reducing defects such as shrinkage
and punctures, and increasing the metal utilization coefficient. Optimizing this process
will contribute to higher productivity and economic efficiency in manufacturing.
Chapter 1 – Analyzes modern methods of hot isothermal stamping, considering
their advantages, disadvantages, and issues related to defect formation in the combined
shaping of hollow parts.
Chapter 2 – Conducts mathematical modeling of the isothermal flow curve of
aluminum alloys, identifying the dependencies of deformation rate, temperature, and
magnesium content on yield stress.
Chapter 3 – Investigates the stress-strain state during hot stamping of hollow
axisymmetric parts with a flange. It examines the effect of combined extrusion on shape
stability and determines the optimal process parameters.
Chapter 4 – Reviews occupational safety requirements in hot stamping operations,
including measures to minimize risks during technological processes..
6
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 8
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ..... 11
1.1 Технології гарячого ізотермічного штампування ............................................ 11
1.2 Порівняння між технологією гарячого об'ємного штампування та
ізотермічним штампуванням алюмінієвих сплавів ................................................... 13
1.3 Дефекти, що виникають при гарячому ізотермічному штампуванні
осесиметричних виробів з фланцем ............................................................................ 17
Висновок до розділу 1............................................................................................... 27
РОЗДІЛ 2 ПОБУДОВА ІЗОТЕРМІЧНОЇ КРИВОЇ ТЕКУЧОСТІ АЛЮМІНІЄВИХ
СПЛАВІВ. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ .................................................................... 29
2.1. Матеріали та зразки для експериментів ........................................................... 29
2.1.1 Опис матеріалів ............................................................................................ 29
2.1.2 Вибір розмірів вихідних зразків ................................................................. 31
2.2 Вибір обладнання ............................................................................................ 32
2.3 Проведення металографії ............................................................................... 34
2.4 Результати досліджень ................................................................................... 36
2.5 Аналіз мікроструктури сплавів до та після деформації .............................. 39
2.6 Математична модель, що враховує вплив процентного вмісту магнію на
напругу текучості .......................................................................................................... 41
Висновок до розділу 2............................................................................................... 45
РОЗДІЛ 3 АНАЛІЗ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПРИ ГАРЯЧІЙ
ШТАМПОВЦІ ПУСТОТІЛИХ ОСЕСИМЕТРИЧНИХ ВИРОБІВ З ФЛАНЦЕМ .. 46
3.1 Текучість матеріалу в зоні деформації.............................................................. 46
3.2 Етапи формоутворення в осередку деформації ............................................... 49
3.3 Матеріал, інструмент, обладнання .................................................................. 55
3.4 Результати експерименту ................................................................................. 56
3.5 Моделювання радіального видавлювання ..................................................... 59

7
3.6 Порядок технологічного процесу ізотермічного штампування .................. 60
3.7 Рекомендації щодо розробки технологічного процесу ізотермічного
штампування із заготовки з 1<H0/D0≤2 ....................................................................... 61
3.8 Рекомендації щодо розробки технологічного процесу ізотермічного
штампування із заготовки з H0/D0≤1 ........................................................................... 62
Висновок до розділу 3............................................................................................... 64
Розділ 4 Охорона праці та безпека у НС ................................................................. 66
4.1 Вимоги безпеки під час гарячої штамповки ..................................................... 66
4.2 Вимоги безпеки під час виконання штампувальних робіт ............................. 68
4.3 Вимоги безпеки до штампувальника при роботі на пресах ............................ 70
4.4 Вимоги безпеки перед початком роботи .......................................................... 72
4.5 Вимоги безпеки під час роботи ......................................................................... 73
Загальні висновки ...................................................................................................... 76
Список використаної літератури ................................................................................. 78

8
Вступ
Осесиметричні ковані або штамповані деталі з фланцем є досить
поширеними виробами (стакани, корпуси, маточини тощо), що застосовуються в
сучасній техніці. Матеріали, з яких виготовляють вищезазначені вироби
різноманітні: сталі різних марок, кольорові сплави, в тому числі алюмінієві,
титанові та інші.
Суттєву частину заготовок для деталей з фланцем отримують обробкою
тиском, зокрема гарячим об'ємним штампуванням у відкритих або закритих
штампах, у тому числі в штампах з роз'ємними матрицями та з компенсаторами, а
також у штампах для витискання. Штампи для витискання дозволяють реалізувати
комбіновані схеми формозміни (пряме-зворотне витискання, пряме-зворотне-
радіальне витискання, зворотне-радіальне витискання тощо) за один робочий хід
машини для обробки тиском і виготовити складнопрофільні вироби. До технологій,
в яких застосовуються штампи для витискання, відноситься гаряче ізотермічне
штампування, широко застосовуване для обробки алюмінієвих сплавів. Ізотермічне
штампування дозволяє підвищити коефіцієнт використання металу (КВМ) за
рахунок зменшення припусків і напусків, що призначаються при проектуванні
штампованого виробу. Це забезпечує скорочення операцій у технологічному
процесі ізотермічного штампування, а зниження величини напусків призводить до
підвищення складності геометричної форми штампованого виробу.
Однією з різновидів складнопрофільних штампованих деталей з фланцем, що
виготовляються з алюмінієвих сплавів системи Al-Mg (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6)
за технологією гарячого ізотермічного штампування, є порожнисті осесиметричні
штамповані вироби з розвиненим фланцем (діаметр фланця становить 1,5-2
діаметра центральної частини виробу і відношення діаметра фланця до його
товщини - не більше 85) зі сплаву АМг6. Застосування штампів для витискання не
виключає можливості утворення дефектів через складний характер течії
деформованого матеріалу в формоутворюючій порожнині.
Однією з проблем технології гарячого ізотермічного штампування, що
забезпечує комбіновану схему формозміни порожнистих осесиметричних

9
штамповок з розвиненим фланцем з алюмінієвих сплавів, є утворення дефектів
типу утяжина та/або простріл (термінологія відповідно до ГОСТ Р 57511-2017) в
області фланцевої частини, що формується комбінованим витисканням. Наявність
даного дефекту на штамповці знижує її якість. Вважається, що його утворення
виникає через втрату стійкості стінки в області фланця порожнистої штампованої
деталі, що призводить до нестабільності реалізації технології гарячого
ізотермічного штампування за рахунок нерівномірної течії металу, що призводить
до зниження якості штамповок з алюмінієвих сплавів. На вирішення зазначеної
актуальної науково-технологічної задачі спрямована дана дисертаційна робота.
Мета дослідження. Підвищення якості порожнистих осесиметричних
виробів з фланцем з алюмінієвого сплаву АМг6 за допомогою вдосконалення
технології штампування за рахунок управління стійкістю заготовок при їх
комбінованому витисканні в ізотермічних умовах.
Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені такі основні
завдання:
1. Дослідити реологічні властивості алюмінієвих сплавів системи Al-Mg,
характерним представником якої є сплав АМг6, для області значень швидкості
деформації 0,001-0,4 с-1 і області значень температури деформування 20-450°С, у
тому числі, що відповідають інтервалу гарячого ізотермічного штампування на
основі натурного і обчислювального експерименту та встановити закономірності
взаємозв'язку опору деформації (напруження течії) з величиною деформації,
швидкості деформації, температури і процентного вмісту магнію в сплаві.
2. Дослідити експериментально особливості течії матеріалу при формуванні
фланця, що отримується шляхом комбінованого витискання в умовах гарячого
ізотермічного штампування порожнистого осесиметричного виробу зі сплаву
АМг6.
3. Узагальнити результати досліджень пов'язаних з вивченням особливостей
течії сплаву АМг6 при формуванні фланця і розробити математичну модель, що
пов'язує параметр, який характеризує втрату стійкості заготовки при її
комбінованому витисканні в ізотермічних умовах, з параметрами, що

10
характеризують геометрію заготовки, геометрію стінки витискуваного
напівфабрикату, а також умови контактного тертя.
4. Відобразити режими комбінованого витискання в умовах гарячої
ізотермічної деформації осесиметричного виробу з фланцем, діаметр якого в 1,5-2
рази більший за діаметр його центральної частини, при цьому відношення діаметра
фланця до його товщини не більше 85, що дозволяють керувати стійкістю течії
матеріалу в стінці заготовки при її формоутворенні.
5. Розробити рекомендації для проектування параметрів технології гарячого
ізотермічного штампування осесиметричних виробів з розвиненим фланцем з
алюмінієвого сплаву АМг6.
Об'єктом дослідження є процес комбінованого витискання, що реалізується
в умовах гарячої ізотермічної деформації.
Предметом дослідження є стійкість заготовки при формуванні фланця, що
становить 1,5-2 діаметра центральної частини осесиметричного виробу, що
отримується шляхом комбінованого витискання в умовах гарячої ізотермічної
деформації.

11
РОЗДІЛ 1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
ДОСЛІДЖЕННЯ
1.1 Технології гарячого ізотермічного штампування
Технології гарячого ізотермічного штампування належать до
ресурсозберігаючих технологій обробки металів тиском (ОМТ), які дозволяють
отримувати високоякісні заготовки та заощаджувати метал завдяки скороченню
кількості формоутворюючих операцій. Вона є однією з прогресивних технологій,
позбавлених багатьох недоліків, притаманних технології гарячого об'ємного
штампування. Під час ізотермічного штампування необхідно, щоб штамп і
штампована заготовка були нагріті до однієї й тієї самої високої температури у
процесі деформування, що виключає небажане охолодження поверхні заготовки та
виникнення перепадів температур [1]. Це суттєво покращує умови для пластичної
текучості матеріалу та дозволяє отримувати високоякісні заготовки, значно ближчі
за формою до кінцевих вимог.
Починаючи з 60-70-х років ХХ століття, гаряче ізотермічне штампування
застосовують для отримання точних заготовок різної форми з титанових та
алюмінієвих сплавів, а також важкооброблюваних жароміцних сталей і сплавів. На
основі особливостей ізотермічного деформування визначається область його
застосування [2, 3, 4]:
1) для низькопластичних металів, які практично не піддаються обробці
тиском у нормальних умовах;
2) для деталей з елементами малої товщини (тонкі полотна, вузькі й високі
ребра), які в нормальних умовах можуть бути отримані з великими припусками і,
відповідно, з низьким коефіцієнтом використання металу (КВМ);
3) за вимог до підвищеної точності, особливо для деталей із дорогих
матеріалів;
4) для великогабаритних деталей, які в звичайних умовах потребують
обладнання підвищеної потужності.
Скорочення кількості формоутворюючих операцій призводить до того, що в
осередку деформації при ізотермічному штампуванні остаточна форма виробу

12
надається за одну операцію. Як правило, це забезпечується завдяки реалізації
комбінованої схеми формозміни видавлюванням. Наявність у осередку деформації
комбінованої текучості металу підвищує складність геометрії штампованого
виробу (штампування з фланцем, штампування з фланцем і внутрішніми
порожнинами, штампування із симетрично та несиметрично розташованими
відростками тощо), а також збільшує ризик появи дефектів типу «усадка» або
«прокол» через нерівномірність текучості металу.
Тенденція виробництва нових штампованих деталей і розширення області
застосування штампування можлива завдяки освоєнню методів, заснованих на
комбінованому видавлюванні, що поєднує пряме, зворотне та радіальне
(поперечне) видавлювання. Для впровадження процесу гарячого ізотермічного
штампування (ГІШ) складних деталей із фланцем необхідно розробляти та широко
застосовувати різноманітні суміщені й комбіновані процеси та пристрої для
регулювання кінематики текучості металу та його напружено-деформованого
стану у штампі.
Залежно від оброблюваного матеріалу та температури, за якої виконується
пластична деформація, розрізняють низькотемпературне (температура
штампування не перевищує 550 °С) [1, 21, 22] та високотемпературне (температура
штампування понад 550 °С) [23-27] ізотермічне штампування. Низькотемпературне
ізотермічне штампування застосовується для отримання поковок з алюмінієвих і
магнієвих сплавів; високотемпературне — для отримання поковок з титанових
сплавів, нікелевих сплавів, латуней, бронз, а також з інструментальних
швидкорізальних сталей.
Ефективним засобом зменшення сили деформування, а отже, і напруження
текучості при ізотермічному деформуванні, є використання технологічних мастил
[27, 28]. При використанні технологічних мастил для ізотермічного штампування
видавлюванням виробів з алюмінієвих сплавів коефіцієнт тертя приймається в
межах 0,11–0,3 залежно від температури штампування, марки деформованого
матеріалу та складу мастила [29].

13
У цій роботі досліджується та вдосконалюється технологічний процес
низькотемпературного ізотермічного штампування алюмінієвих сплавів системи
Al-Mg, який виконується в діапазоні температур від 400 до 450 °С (470 °С).
1.2 Порівняння між технологією гарячого об'ємного штампування та
ізотермічним штампуванням алюмінієвих сплавів
Технологія гарячого ізотермічного штампування алюмінієвих сплавів має
переваги порівняно з гарячим об’ємним штампуванням: підвищення пластичності
оброблюваного матеріалу завдяки роззміцненню та "заліковуванню" мікротріщин
[1]. В ізотермічних умовах швидкість деформування значно менша, ніж при
гарячому об’ємному штампуванні. Це дозволяє виконувати штампування при
менших значеннях сили деформування під час проведення формоутворюючих
операцій. Як правило, ізотермічне штампування виконується за одну
формоутворюючу операцію, що дозволяє досягти економічного ефекту та
підвищити ефективність технології.
На сьогодні освоєна технологія гарячого об’ємного штампування поковок
фланцевого типу [15, 30]. Найпопулярніший метод їх виготовлення — гаряче
об’ємне штампування у відкритих штампах (штампах з облойною канавкою) [1, 2,
14, 15, 30, 31]. Серед основних переваг цього методу — висока продуктивність і
можливість отримувати штамповані вироби різної форми, зокрема з фланцями.
Однак метод реалізується за кілька операцій обробки тиском, що призводить до
необхідності збільшення кількості запусків кувально-пресового та нагрівального
обладнання; для нього характерний не дуже високий коефіцієнт використання
металу (КВМ) (менше 0,4) і, як наслідок, невисока економічна ефективність при
невеликих програмах випуску.
Як приклад, що ілюструє вищезазначені особливості гарячого об’ємного
штампування, на рисунку 1.1 показано одну з типових технологічних схем.
Формоутворююча операція реалізується у відкритому штампі; остаточне
штампування виконується з попередньо спрофільованої заготовки з алюмінієвого
сплаву. Моделювання формоутворюючої операції демонструє особливості

14
текучості матеріалу у штампувальному інструменті: формування неглибокої
центральної порожнини супроводжується витісненням надлишків матеріалу в
облойну канавку. Сформований облой зрізається на наступній операції
технологічного процесу. КВМ цієї технології становить не більше 0,2-0,25.

Рисунок 1.1 — С хема гарячого об’єм ного штампування о сесиметричного
виробу з фланцем і неглибокою центральною порожниною (моделювання
виконано в програмі QForm).

Технологія гарячого ізотермічного штампування демонструє значну
економічну та технологічну ефективність [30, 32]. Зокрема, у роботі [30] виділено
групи 1 і 2 поковок (штамповок) з алюмінієвих сплавів, отриманих за технологією
гарячого ізотермічного штампування. Поковки характеризуються наявністю
фланців на стрижневій частині (рисунок 1.2а) або фланців і центральної порожнини
(рисунок 1.2б).
Для цієї роботи розглядаються поковки зі сплаву АМг6 (див. рисунок 1.2в),
які за зовнішнім виглядом відповідають поковкам групи 2. До цієї групи належать
поковки з такими співвідношеннями розмірів: H/D≤3, t≥3, де H — габаритний
розмір (висота, максимальна) поковки, D — діаметр (максимальний) фланцевої
частини поковки, t — товщина стінки, сформована під час штампування.

15

Рисунок 1.2 — Приклади поковок з алюмінієвих сплавів, отриманих за
технологією гарячого ізотермічного штампування [30]: а) стрижневі з фланцем; б)
осесиметричні з центральною порожниною; в) поковка зі сплаву АМг6,
досліджувана у роботі.
У роботі [30] відсутні рекомендації щодо виготовлення поковок (див.
рисунок 1.2в) із розмірами, характерними для форми поковок, досліджуваних у цій
дисертаційній роботі: діаметр фланця становить 1,5–2 діаметри центральної
частини виробу, а відношення діаметра фланця до його товщини — не більше 85.
У той же час, для алюмінієвого сплаву марки АМг6 відомі рекомендовані
температурні режими гарячого штампування (таблиця 1.1) [30, 33].
Таблиця 1.1 — Типовий температурний режим гарячого штампування
заготовок зі сплаву АМг6.

Примітки:
ТЗ — температура заготовки; ТШТ — температура штампа;Тпов —
температура повітря.

16
У таблиці 1.2 представлені основні особливості гарячого ізотермічного
штампування у порівнянні з технологією гарячого об’ємного штампування [33–36].
Таким чином, обрана поковка (див. рисунок 1.1в) може бути виготовлена за
технологією гарячого ізотермічного штампування, проте технологія її
виготовлення є мало вивченою. Геометрична форма поковки є складною, містить
глибоку порожнину та достатньо розвинений фланець (діаметр фланця становить
1,5–2 діаметри центральної частини виробу, а відношення діаметра фланця до його
товщини — не більше 85), що ускладнює її отримання за одну формоутворюючу
операцію із мірної заготовки, відрізаної від вихідного прокату.
Однак мета цієї роботи пов’язана саме з підвищенням ефективності
одноопераційної технології гарячого ізотермічного штампування за схемою
комбінованого видавлювання. Ефективність процесу оцінюється відсутністю або
мінімізацією дефектів типу «усадка» та «прокол», які можуть сформуватися під час
видавлювання у штампі верхньої частини поковки в області її фланця (див. рисунок
1.1в).
Таблиця 1.2 — Порівняння технологій: гаряче об’ємне штампування (ГОШ)
та гаряче ізотермічне штампування (ГІШ).

17

1.3 Дефекти, що виникають при гарячому ізотермічному штампуванні
осесиметричних виробів з фланцем
Вимоги до якості поковок і штамповок з алюмінієвих сплавів визначаються
стандартами, під терміном «прокол» розуміється: «Дефект структури металу, що
виражається у різкому вигині напрямку волокон уздовж контуру штампування, із
проникненням зовнішніх шарів під основу контурних ребер або виступів із
внутрішньої сторони з утворенням завихрень, спрямованих у бік гальмівного
майданчика». Під терміном «усадка» розуміється: «Дефект неповноти структури у
вигляді поодиноких ліній у напрямку текучості металу з чіткими межами поділу
потоків». На рисунку 1.3 показано макроструктуру поковок із дефектами «прокол»
і «усадка».

18
а) б)
Рисунок 1.5 — Дефекти, що формуються під час гарячого штампування: а)
«прокол»; б) «усадка».
Вищезазначені дефекти є типовими при штампуванні, особливо точному, що
виконується у закритих штампах або штампах для видавлювання, зокрема при
гарячому ізотермічному штампуванні за схемою комбінованого видавлювання.
Розглянемо деякі приклади, знайдені за результатами інформаційно-аналітичного
пошуку в наукових публікаціях [20–25].
Механізм утворення дефекту «усадка» достатньо добре вивчений авторами
робіт [20, 26, 27]. Основну причину його появи пов’язують із нерівномірністю
розподілу величини деформації у матеріалі, що деформується. Для зменшення цієї
нерівномірності застосовують такі технологічні прийоми [28]: 1) збільшення
кількості переходів штампування; 2) збільшення шорсткості контактної поверхні
інструменту (що підвищує опір деформації заготовки); 3)використання
спеціальних порожнин для додаткового набору металу в області утворення
«усадки»; 4) зменшення швидкості витікання деформованого металу у фланцеву
частину до значення, рівного або меншого швидкості руху верхнього інструменту.
Перший прийом у разі гарячого ізотермічного штампування не має сенсу,
оскільки знижується ефективність технології; другий прийом є мало вивченим для
цієї технології; третій прийом, якщо використовується, призводить до зниження
коефіцієнта використання металу (КВМ); четвертий прийом не завжди
реалізовується при виконанні операцій гарячого ізотермічного штампування на
тихохідному кувально-пресовому обладнанні, наприклад, гідравлічних пресах.
У роботі [14] зазначається, що для гарячого ізотермічного штампування
необхідно дотримуватися температурного інтервалу, щоб уникнути появи дефектів
кузнечного характеру.
У роботах [10–11] розглянуто результати дослідження умов утворення
«усадки» при формоутворенні фланцевих заготовок; у роботі [12] вивчено типові
дефекти та запропоновано підходи до прогнозування появи дефекту типу «усадка».

19
У роботі [13] виконано аналіз технології гарячого ізотермічного
штампування складної форми — осесиметричних виробів із порожниною та
асиметрично розташованими відростками, застосовуючи метод кінцевих елементів
(МКЕ). Метод дозволяє прогнозувати утворення дефектів типу «прокол», «усадка»,
складки тощо. Зазначається, що причиною появи «усадки» є нерівномірність
швидкостей текучості матеріалу у штампі під час формозміни заготовки. Ця
нерівномірність зростає зі збільшенням кількості додаткових формоутворюючих
порожнин у матриці, що призводить до глибшої «усадки» (рисунок 1.4) [14].
У роботі [15] проведено експериментальне та теоретичне дослідження
формоутворення вертикальної «усадки» під час отримання стакана з фланцем
методом радіально-зворотного видавлювання. На основі натурного експерименту
та комп’ютерного моделювання, виконаного у програмному середовищі QForm,
автори роботи [15] склали таблицю геометричних параметрів стакана з фланцем та
діаграму для визначення розмірів деталей, які можна отримати комбінованим
видавлюванням без утворення «усадки».

а) початкова б) пряме в) зворотне г) заповнення
заготовка видавлювання видавлювання малих потовщень

г) Заповнення великого е) Збільшений вигляд
д) Вид зверху
потовщення кола
Рисунок 1.4 — Формування дефекту «усадка» під час комбінованого
видавлювання в ізотермічних умовах [13].

20
У роботі [17] розглянуто приклад комп’ютерного моделювання
осесиметричної поковки (рисунок 1.5). Для діагностики дефектів типу «усадка» та
«прокол» використовували поле Гартфілда, яке є досконалішим аналогом
приповерхневих ліній та ліній текучості матеріалу.

Рисунок 1.5 — Формування дефекту типу «усадка»: початкове (зліва) та
кінцеве (справа) положення верхньої матриці.
У роботі [16] наведено результати моделювання радіально-прямого
видавлювання поковки зі сферичною порожниною. Відзначено, що для цього
процесу характерна висока нерівномірність напружено-деформованого стану
(НДС) і температурного поля по перерізу поковки, що є причиною появи «усадки».
На рисунку 1.6 показані «…етапи формування дефекту від «усадки» (рисунок
1.6, а) до складки (рисунок 1.6, б, в) та «проколу» (рисунок 1.6, г)…» [17].

а) «усадка» б) складка; в) складка; г) «прокол» (I).
Рисунок 1.6 — Еволюція дефектів при видавлюванні [16]:

21
У роботі [48] проаналізовано текучість металу (алюмінієвий сплав АД33) при
комбінованому (радіально-зворотному) видавлюванні шляхом комп’ютерного
моделювання в програмі QForm 2D.
Виявлено закономірності текучості металу, які призводять до утворення
«усадки» в області переходу від стакана до фланцевої частини поковки (рисунок
1.7б).

а) схема процесу; б) прогнозування утворення «усадки»
Рисунок 1.7 — Моделювання радіально-зворотного видавлювання [18]:
Прогнозування утворення дефектів виконано з використанням інструмента
візуалізації програми QForm — лагранжевих ліній (ліній текучості, що
відображають макроструктуру деформованого матеріалу). Для прогнозування
дефектоутворення введено кілька відносних показників: h/t — відносна висота
фланця; S/R0 — відносний хід деформуючого пуансона, h — висота приймальної
порожнини для видавлюваного фланця; t — умовний параметр, визначений як
(R−R0); R — внутрішній радіус стакана; R0 — зовнішній радіус заготовки. Залежно
від значення h/t, змінюються форма та розмір «усадки» (рисунок 1.8).

22

а) h/t=2,66 б) h/t=2,0 в) h/t=1,33
Рисунок 1.8 — Форма «усадки» залежно від відносної висоти фланця (h/t)
[18].
У роботі [23] наведено результати моделювання в програмі QForm 2D
процесу зародження та розвитку «усадки» при комбінованому видавлюванні
деталей типу «Втулка з фланцем».
Відзначається, що поява «усадки» набагато рідше спостерігається «… при
комбінованому видавлюванні за схемою з фіксованою точкою по горизонталі…»
(рисунок 1.9, а-е) [23]. Це особливо помітно при використанні інструментів
(верхнього і нижнього) з кутами нахилу формоутворюючих поверхонь 45 або 60°.

а) б) в)

23

г) д) е)
Рисунок 1.9 — Поетапний процес зародження «усадки» за схемою
видавлювання з фіксованою точкою по горизонталі [33].
У статті [31] представлені результати комп’ютерного моделювання процесу
гарячого об’ємного штампування осесиметричних поковок із центральною
порожниною. Метою дослідження було вивчення дефектоутворення за різних
значень співвідношення H0/D0 вихідної заготовки (k). Дефектоутворення
візуалізується під час моделювання з використанням лагранжевих ліній (рисунок
1.10). У роботі [31] встановлено, що при значеннях k у діапазоні від 1,9 до 2,4
ймовірність утворення дефектів («усадки», «проколу») відсутня. Представлені
результати не підтверджені експериментально; вони отримані виключно на основі
обчислювального експерименту в програмі QForm.

а) k=1,5 а) k=1,9 а) k=2,4 а) k=2,8
Рисунок 1.10 — Визначення характерних зон у поперечному перерізі
поковки, отриманої із заготовки з гнучкістю k=1,5 [32].
У роботі [34] проведено порівняння результатів обчислювального
експерименту в програмі QForm із результатами натурного експерименту,
пов’язаного з видавлюванням осесиметричної поковки з центральною
порожниною. На основі результатів моделювання (рисунок 1.11) проаналізовано
текучість матеріалу під час видавлювання і візуалізовано лагранжеву сітку, яка

24
відображає макроструктуру поковки. Матеріал поковки — алюмінієвий сплав
АМг6.
Порівняння лагранжевої сітки з результатами металографії наведено на
рисунку 1.12. У роботі [34] зазначено:
Спостерігаються особливості в отриманій макроструктурі — темна смуга, що
проходить уздовж твірної, яка свідчить про інтенсивну текучість матеріалу через
його локальне нагрівання під час формоутворення.
Наявність темної смуги є небажаним явищем, і для її зменшення
рекомендовано перейти від схеми комбінованого видавлювання до
формоутворення за схемою витяжки (рисунок 1.13). На рисунку 1.13 показані
результати виконання формоутворення за схемою витяжки. Структура матеріалу
виглядає більш однорідною; темна смуга відсутня.
У роботі H.Jafarzadeh [35] проаналізовано текучість металу в процесі
зворотно-радіально-прямого видавлювання. Збільшення відносної висоти зазору
(s/d) призводить до підвищення осесиметричного співвідношення висот (ℎ1/ℎ2) та
(a1/a2) за постійного контактного тертя, що викликає нерівномірну текучість
матеріалу в радіальному напрямку та, як наслідок, можливість появи дефекту.

25

Рисунок 1.11 — Поетапне видавлювання поковки з візуалізацією картини
текучості сплаву АМг6 [24].

Рисунок 1.12 — Макроструктура поковки: металографія та результати
моделювання [24].

26

б) макроструктура за результатами
а) етапи формоутворення
металографії
Рисунок 1.13 — Приклад формоутворення за схемою витяжки [24].
Таким чином, аналіз робіт, пов’язаних із дослідженням дефектоутворення
при комбінованому видавлюванні виробів із фланцем і центральною порожниною,
дозволяє виділити застосовувані методи дослідження та параметри, що визначають
появу дефектів типу «усадка» та «прокол».

27
Висновок до розділу 1
Проведений огляд відомих літературних джерел дозволяє зробити такі
основні висновки:
1. Проведено аналітичний огляд літератури, в якому розглядаються
підходи до виготовлення осесиметричних поковок із розвиненим фланцем.
Показано, що вимоги до проєктування та виробництва таких виробів можуть бути
виконані лише за впровадження нових технологій, зокрема гарячого ізотермічного
штампування.
2. Проведено аналіз переваг і недоліків технології гарячого ізотермічного
штампування, що застосовується для виготовлення складних виробів із фланцем з
алюмінієвих сплавів. Показано, що технологія ГІШ є найефективнішою порівняно
з гарячим об’ємним штампуванням. ГІШ забезпечує підвищення коефіцієнта
використання металу (КВМ) до 0,4–0,5. Обрана поковка (див. рисунок 1.1в) може
бути виготовлена за технологією ГІШ, однак ця технологія є мало дослідженою,
зокрема в частині усунення та запобігання появі дефектів типу «усадка» та
«прокол».
3. Розглянуто причини виникнення дефектів типу «усадка» та «прокол»
під час формоутворення виробу в процесі комбінованого видавлювання. Проведено
аналіз параметрів, що впливають на текучість матеріалу та напружено-
деформований стан у зоні деформації під час реалізації відомих технологічних
процесів комбінованого видавлювання. Це підкреслює актуальність застосування
методів оптимізації до цієї технології, спрямованої на підвищення якості виробів
шляхом зниження ризику формування зазначених дефектів. Прогнозування появи
дефектів може бути виконано за допомогою комп’ютерного моделювання.
4. Показано, що комп’ютерне моделювання на основі методу кінцевих
елементів дозволяє проаналізувати текучість металу, визначити напружено-
деформований стан та виявити параметри, що впливають на появу дефектів. Для
діагностики та прогнозування дефектів, наприклад, у програмі QForm [18],
застосовуються кілька інструментів, які будуть використані в цій дисертаційній
роботі для розробки комп’ютерної моделі технологічної операції комбінованого

28
видавлювання порожнистих осесиметричних виробів із фланцем у гарячих
ізотермічних умовах: 1) лінії текучості; 2)приповерхневі лінії; 3) поле Гартфілда.
5. Виявлено умови утворення дефектів типу «усадка» та «прокол».
Проведено аналіз цих умов та їх застосовність для комп’ютерного моделювання.
Виділені в розділі 1.3 умови потребують проведення натурних експериментів для
побудови достовірної моделі утворення «усадки» в умовах гарячого ізотермічного
штампування з урахуванням напружено-деформованого стану, розмірів вихідної
заготовки, товщини стінки деформованого матеріалу, температурно-швидкісних
параметрів деформації та реологічних властивостей сплаву системи Al-Mg.
6. У відомих відкритих джерелах не вдалося знайти практичних
рекомендацій щодо розробки технології гарячого ізотермічного штампування
порожнистих осесиметричних виробів із розвиненим фланцем (діаметр фланця
становить 1,5–2 діаметри центральної частини виробу, а відношення діаметра
фланця до його товщини — не більше 85) із сплаву АМг6.

29
РОЗДІЛ 2 ПОБУДОВА ІЗОТЕРМІЧНОЇ КРИВОЇ ТЕКУЧОСТІ
АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ
2.1. Матеріали та зразки для експериментів
2.1.1 Опис матеріалів
Як досліджувані матеріали для побудови ізотермічної кривої текучості
розглядаються сплави системи Al-Mg (магналій): АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.
Сплави системи Al-Mg (з вмістом магнію до 6%) мають порівняно невелику
міцність і практично не зміцнюються термічною обробкою. За міцністю ці сплави
перевершують алюмінієвий сплав АМц, проте поступаються йому в пластичності,
електропровідності та теплопровідності.
У роботі сплав АМг6 є основним матеріалом, з якого виготовляються
порожнисті осесиметричні вироби з фланцем (див. рисунок 1.2), отримані методом
комбінованого видавлювання в умовах гарячої ізотермічної деформації. Сплави з
меншим вмістом магнію можуть використовуватися як замінники. Для всіх
досліджуваних сплавів проведено оцінку хімічного складу (таблиця 2.1) із
застосуванням оптико-емісійного спектрального аналізу.
Таблиця 2.1 — Результати аналізу хімічного складу досліджуваних сплавів

У всіх трьох відомих станах термічної обробки [28]: загартування 460 °С
(режим 1); загартування + старіння 140 °С, 16 год (режим 2); відпал 430 °С, 1 год,
охолодження зі швидкістю 100 °С/год (режим 3) сплави системи Al-Mg мають
структуру пересиченого твердого розчину.

30
У таблиці 2.2 наведено механічні властивості сплавів системи Al-Mg з різним
вмістом магнію як основного легуючого елемента. У таблиці 2.3 представлені
основні фізико-механічні властивості сплаву АМг6, які можуть бути корисними
для постановки обчислювальних експериментів у програмі QForm.
Таблиця 2.2 — Механічні властивості сплавів системи Al-Mg [28]
Вміст Mg, Режим 1 Режим 2 Режим 3
% σB, МПа δ, % σB, МПа δ, % σB, МПа δ, %
0,5 102 33,9 111 33,2 95 35,7
1,0 113 31,9 119 32,8 108 31,7
1,5 131 33,1 134 32,9 128 32,1
2,0 155 32,5 155 32,7 148 32,5
2,5 173 30,9 178 31,7 170 31,6
3,0 186 35,7 188 35,2 182 35,6
3,5 203 35,5 208 35,7 204 36,4
4,5 236 35,7 239 35,8 233 37,5
5,5 269 38,3 268 35,8 266 40,5
6,5 296 39,6 289 40,7 284 39,7
Таблиця 2.3 - Основні фізико-механічні властивості сплаву АМг6

31
2.1.2 Вибір розмірів вихідних зразків
Основною особливістю випробувань на стиск є необхідність створення
однорідного напруженого стану (НС) по всій висоті зразка. Автори робіт [10, 18]
показали, що під час осадки циліндричного зразка за температури 20 °С або
підвищеної температури і стиску не більше ніж на 50% від початкової висоти не
спостерігається помітної бочкоподібності. За таких умов деформація вважається
однорідною, а напружений стан — лінійним.
Для зменшення бочкоподібності перед початком випробувань на торцеву
поверхню зразка наноситься мастило. Якщо випробування проводиться за
підвищених температур, практично неможливо забезпечити сталість температури
нагріву зразка на початку випробування та контролювати температуру інструмента
в процесі. У разі нанесення мастила нагрітий зразок контактує з навколишнім
середовищем, що призводить до зниження його температури, як і температури
інструмента. У результаті експериментальні криві текучості можуть не відповідати
заданій температурі випробувань, визначеній до початку експерименту.
За випробувань на стиск за кімнатної температури проблема контролю
температури відсутня. Проте контактне тертя впливає на форму бічної поверхні
зразка. Це вплив тим менший, чим менший коефіцієнт тертя мастила.
У роботах [17, 18] для врахування бочкоподібності бічної поверхні зразка
застосовувався підхід, заснований на використанні поправочного коефіцієнта при
розрахунку опору деформації.
У дослідженнях [19] запропоновано інший підхід до обробки результатів
випробувань на стиск та врахування бочкоподібності. Цей підхід базується на
реалізації інверсійного методу (методу постановки оберненої задачі) і передбачає
проведення двох експериментів: натурного та обчислювального. Обчислювальний
експеримент визначає оптимальне поєднання даних для розрахунку, що забезпечує
мінімальне відхилення від результатів натурного експерименту. У такому випадку
застосування мастила стає необов’язковим для проведення випробувань на стиск.
Для вибору розмірів зразків з алюмінієвих сплавів АМг2, АМг3, АМг5 та
АМг6 проведено випробування на стиск циліндричних зразків (рисунок 2.1) за

32
температури 20 °С та різних швидкостей деформації: 0,001; 0,01; 0,1; 0,22; 0,4 с⁻¹
[20]. Розміри зразків у випробуваннях були такими:
1) співвідношення k=1: діаметр 11,8 мм, висота 11,8 мм;
2) співвідношення k=1,5: діаметр 11,8 мм, висота 18 мм;
3) співвідношення k=1: діаметр 10 мм, висота 10 мм.
Стиснення циліндричних зразків із плоскими торцями виконувалося без
мастила. Обробка результатів випробувань відповідно до методики, детально
викладеної в роботі [21], базувалася на методі постановки оберненої задачі. За
результатами випробувань зроблено висновки щодо характеру зміни форми зразка,
а також проведено порівняння кривих текучості, отриманих для зразків із різним
співвідношенням H0 /D0.
На рисунку 2.1 показано типові циліндричні зразки після випробувань,
спрямованих на вибір розмірів зразків.
а)
б)

Рисунок 2.1 – Зразки металу АМг6 після осадження: а) k=1; б) k = 1,5
2.2 Вибір обладнання
Під час випробування циліндричних зразків на стиск достовірні дані про
криві текучості в досліджуваних температурно-швидкісних умовах деформування
можна отримати у великому діапазоні значень деформації [31] із застосуванням
універсальних випробувальних машин.
Це обумовлено тим, що під час стиску матеріал демонструє вищу
пластичність порівняно з крученням або розтягом [32].
Основною вимогою до універсальної випробувальної машини є наявність
числового програмного управління, а також системи підготовки, контролю та збору
даних про випробування. Цим вимогам відповідають вибрані в даній роботі
випробувальні машини LFM-50 і LFM-250 (Walter+Bai AG, Швейцарія).

33
Випробувальні машини LFM-50 і LFM-250 мають жорстку конструкцію
завдяки наявності двох колон (рисунок 2.2), що дозволяє проводити випробування
як на розтяг, так і на стиск. Відомо, що ці машини оснащені системою автоматизації
збору експериментальних даних, яка складається з програмного забезпечення та
контрольно-вимірювальної апаратури. Характеристики машин представлені в
таблиці 2.4. Програма управління машиною встановлює зворотний зв’язок між
вимірювальними датчиками (датчик переміщення, датчик сили) та платою збору й
обробки даних. Такий підхід до організації випробувань забезпечує можливість
задання довільної програми навантаження, що є необхідним для випробувань на
стиск із постійною швидкістю деформації.
Таблиця 2.4 — Характеристики випробувальних машин [30]

Машина LFM-50 оснащена нагрівальним пристроєм, який забезпечує нагрів
як деформуючого інструмента, так і деформованого зразка досліджуваного
матеріалу. У цій роботі машина LFM-50 використовується для проведення
випробувань на стиск у діапазоні температур від 100 °С до 450 °С. Машина LFM-
250 не оснащена нагрівальним пристроєм, але забезпечує більшу максимальну силу
навантаження. Тому ця машина використовується для випробувань на стиск за
температури 20 °С.

34

а) випробувальна машина LFM-50 б) випробувальна машина LFM-250
Рисунок 2.2 – Устаткування для випробувань
2.3 Проведення металографії
У процесі пластичної деформації структура алюмінієвого сплаву змінюється
[16-22]. Еволюція структури залежить від температури металу в процесі обробки,
швидкості та величини деформації. З огляду на сильний взаємозв'язок між
структурним станом металу та його експлуатаційними властивостями, зазначені
параметри слід враховувати під час вибору режимів обробки тиском.
Металографія алюмінієвих сплавів АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 проводилася з
метою вирішення двох завдань:
1) якісна оцінка мікроструктури зразків досліджуваних сплавів, які
зазнали пластичної деформації за різних поєднань температури T, швидкості
деформації εi , та ступеня деформації εi;
2) перевірка правильності розрахунку ізотермічних кривих текучості,
наведених у попередньому розділі.
Мікрошліфи виготовлялися шляхом різання вихідних зразків уздовж
напрямку деформації (рисунок 2.3). Металографічні дослідження виконувалися на
бінокулярному мікроскопі “Olympus Delta” із збільшенням ×25, ×100, ×500, ×1000,
а також на сканувальному (растровому) електронному мікроскопі Jeol JSM-5600 із
збільшенням ×2500 (рисунок 2.4).

35

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Рисунок 2.3 — Зовнішній вигляд досліджуваних зразків
Мікроструктуру досліджували в поляризованому світлі на шліфах, підданих
електролітичному поліруванню. Шліфи виготовлялися із зразків (див. рисунок 2.3)
досліджуваних сплавів до деформування («0») і після деформування («1»–«12») у
різних температурно-швидкісних умовах.

мікроскоп “Olympus Delta” Мікроскоп Jeol JSM-5600
Рисунок 2.4 – Устаткування для металографії

Рисунок 2.5 — Схема з указанням зон для вимірювання твердості
Аналіз мікротвердості сплаву після деформації може надати уявлення про
його механічні властивості та допомогти зрозуміти, як пластична деформація
впливає на структуру та властивості матеріалу.

36
Були проведені вимірювання мікротвердості в меридіональному перерізі на
13 фрагментах зразків зі сплавів АМг5 та АМг6, що зазнали стиску між плоскими
плитами за різних швидкостей деформації та температур.
Дослідження мікротвердості сплаву АМг6 проводилося на мікрошліфах у 3
зонах відповідно до схеми, наведеної на рисунку 2.5. Вимірювання мікротвердості
(HV, кгс/мм²) виконувалися на мікротвердомірі Leica MHT10 (див. рисунок 2.4) при
навантаженні 100 грамів [15].
2.4 Результати досліджень
Криві текучості сплаву АМг6 (рисунок 2.6) для зразків із різним
співвідношенням k за різних швидкостей деформації мало відрізняються одна від
одної за рівнем опору деформації та характером його зміни. Для зразка з
k=H0/D0=1,5 спостерігаються незначні відмінності (рисунок 2.6б). Вони пов’язані з
появою тріщини на поверхні зразка за значення накопиченої деформації близько
0,51. Тріщина виникає на бічній поверхні зразка під час його стиску зі швидкістю
0,001 с⁻¹. Характер поширення тріщини приблизно відповідає куту 45° до
поздовжньої осі зразка. Для зразка з k=H0/D0=1 руйнування під час його стиску не
спостерігається.

Рисунок 2.6 —Криві текучості сплаву АМг6
З огляду на вищесказане, для отримання кривих текучості алюмінієвих
сплавів АМг2, АМг3, АМг5 і АМг6 були прийняті такі умови:
- Розміри вихідних циліндричних зразків: діаметр 10 мм, висота 10 мм,
k=1,0;

37
- температура стиску циліндричних зразків: постійна в межах одного
випробування і дорівнює одному із значень: 20 °С, 300 °С, 400 °С або 450 °С;
- стиск зразків виконувався в ізотермічних умовах без використання
мастила;
- швидкість деформації при стиску зразків: постійна в межах одного
випробування і дорівнює одному із значень: 0,001 с⁻¹, 0,01 с⁻¹ або 0,4 с⁻¹.
На рисунках 2.7 і 2.8 показано зразки досліджуваних сплавів після стиску за
описаних умов. Через відсутність мастила, за умов натурного експерименту,
спостерігається незначне викривлення бічної поверхні зразків.

Рисунок 2.7 — Зовнішній вигляд зразків сплавів АМг2 та АМг6 після
деформації за заданих температурно-швидкісних умов деформування

38

Рисунок 2.8 — Зовнішній вигляд зразків сплавів АМг3 і АМг5 після
деформації за заданих температурно-швидкісних умов деформування
Отримані результати натурних випробувань дозволяють перейти до
побудови ізотермічних кривих текучості та встановлення функціональних
залежностей для опису опору деформації алюмінієвих сплавів системи Al-Mg
(АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) залежно від температурно-швидкісних параметрів і
процентного вмісту магнію.
Дослідження охоплює:
Швидкість деформації: від 0,001 до 0,4 с⁻¹;
Температура: від 20 до 450 °С;
Процентний вміст магнію: від 2 до 6%.

39
Ці функціональні залежності дозволяють точно моделювати процеси
деформації та оптимізувати режими обробки тиском для сплавів системи Al-Mg.
2.5 Аналіз мікроструктури сплавів до та після деформації
Зразки сплаву АМг6 деформуються у широкому температурно-швидкісному
діапазоні аналогічно до виконаного для сплаву АМг5 [18].
У зв’язку з цим проведено дослідження мікроструктури сплаву АМг6 до
(рисунок 2.9) і після (рисунок 2.10) його пластичної деформації. На рисунку 2.10
представлені результати металографічних досліджень. Отримані мікроструктури
відображають зміни, що відбуваються в деформованому матеріалі за різних
поєднань значень температури та швидкості деформації.

Збільшення х 50 Збільшення х 100 Збільшення х 500 Збільшення х 1000
Рисунок 2.9 — Структура вихідного зразка (центральна частина зразка)
У вихідному, недеформованому стані (див. рисунок 2.9) сплав АМг6 має
характерну для пресованого матеріалу макро- та мікроструктуру [11–12].
Мікроструктура матеріалу не рекристалізована, однорідна, з вираженою текстурою
деформації; орієнтація волокон відповідає напрямку деформування вихідного
прутка, з якого були виготовлені заготовки для випробувань.
Якщо мікроструктура вихідного зразка (див. рисунок 2.9) має по всьому
перерізу дрібнодисперсну будову з фазовими складовими, орієнтованими вздовж
напрямку деформування вихідного прутка, то структура після деформації
характеризується наявністю зерен, витягнутих уздовж напрямку деформації (див.
рисунок 2.10). Структура матеріалу зразків смугаста, має вигляд деформованої;
лінії деформації простягаються від торця до торця. Спостерігаються α-зерна, які
витягнуті, а також присутні рядки інтерметалідних включень.

40
Найбільший вплив на структуру (див. рисунок 2.10) чинить температура.
Підвищення температури з 20 до 450 °С призводить до виділення фаз уздовж ліній
текучості металу.
Вплив швидкості деформації стає помітним при температурах вище 400 °С
(400 і 450 °С). Це може бути пов’язано з процесами рекристалізації, що
відбуваються за високих температур деформації. У центральній частині зразків
зберігається текстура вихідного стану матеріалу, тоді як на периферійній частині
зразків лінії текучості вигнуті.

20°С 300°С 400°С 450°С
Швидкість деформації 0,001 с-1

20°С 300°С 400°С 450°С
Швидкість деформації 0,01 с-1

20°С 300°С 400°С 450 °С
Швидкість деформації 0,4 с-1

Рисунок 2.10 — Зміна мікроструктури в зразках сплаву АМг6 після
деформації стиском (центральна частина зразка), збільшення ×2500
Після деформації зразків за різних температур змінюється мікротвердість
металу. Це може бути пов’язано з процесами зміцнення або роззміцнення сплаву, а
також зі зміною розміру зерен матеріалу. Зниження мікротвердості може вказувати
на зменшення опору деформації і навпаки.

41
Аналіз мікротвердості зразків після стиску за температури 20 °С показує, що
збільшення швидкості деформації на два порядки, з 0,001 до 0,4 с⁻¹, призводить до
збільшення опору деформації матеріалу, тобто до зміцнення сплаву (до 14%).
Однак ця залежність зменшується до 6% при підвищенні температури до 450
°С. Деформація металу за температури 300 °С також призводить до підвищення
мікротвердості — зміцнення матеріалу, але з меншою інтенсивністю. При
температурі від 300 °С починається активізація процесів роззміцнення у сплаві
АМг6; за температури 450 °С мікротвердість практично дорівнює мікротвердості
вихідного матеріалу. Аналогічний характер зміни мікротвердості було отримано в
роботі [18] для сплаву АМг5. Мікротвердість сплаву АМг6 знаходиться в діапазоні
від 80 до 130 одиниць за шкалою Віккерса. Результати вимірювання мікротвердості
представлені в таблиці 2.6.
Таблиця 2.6 — Результати вимірювання мікротвердості (HV, кгс/мм²) зразків
Температура Швидкість АМг6
АМг5
деформації, оС деформації Зона 1 Зона 2 Зона 3
Вихідний зразок 94-100
0,001 128-131 112,0 131,5 109,0
20 0,01 117-120 112,0 124,0 116,0
0,4 112-116 - - -
0,001 108-110 106,0 100,0 107,5
300 0,01 105-108 98,0 111,5 94,0
0,4 100-103 99,0 105,0 95,5
0,001 100-102 84,5 92,0 83,5
400 0,01 90-94 80,5 95,0 84,5
0,4 89-91 92,0 97,5 96,0
0,001 95-97 81,0 86,0 90,0
450 0,01 93-96 91,5 92,5 89,0
0,4 88-93 91,5 102,5 94,0

2.6 Математична модель, що враховує вплив процентного вмісту магнію
на напругу текучості
Основною відмінністю хімічного складу сплавів АМг2, АМг3, АМг5 від
сплаву АМг6 є процентний вміст магнію, який суттєво впливає на властивості

42
матеріалу. Збільшення процентного вмісту магнію з 2 до 6 у сплаві АМг значно
підвищує твердість і опір деформації. Як показують результати досліджень,
виконаних у даній дисертаційній роботі, збільшення вмісту магнію з 2 до 6
призводить до підвищення напруження текучості приблизно на 150 МПа при
температурі 20 °С та на 5–30 МПа у діапазоні температур від 400 до 450 °С (рисунок
2.11). Особливістю алюмінієво-магнієвого сплаву є термічна нестабільність за
високих температур.

Рисунок 2.11 — Порівняння ізотермічних кривих текучості сплавів
АМг2 і АМг6
При холодній деформації (20 °С) відбувається лише зміцнення матеріалу;
при гарячій та гарячій ізотермічній деформації (400–450 °С) — поряд зі
зміцненням, у металі інтенсивно розвиваються процеси роззміцнення.
Взаємодія процесів зміцнення та роззміцнення визначає поведінку матеріалу в
процесі гарячої деформації, істотно впливаючи на зміну опору деформації та
енергосилові параметри процесу деформування алюмінієвих сплавів системи
Al-Mg.
Коефіцієнти математичної моделі, які встановлюють взаємозв'язок між
напруженням текучості σi, термомеханічними параметрами (деформація,
швидкість деформації, температура) та процентним вмістом магнію в сплаві,
обчислюються в програмі MATLAB і наведені в таблиці 2.7. Отримана модель

43
(функціональна залежність) дозволяє визначити напружено-деформований
стан конкретного сплаву системи Al-Mg у широкому діапазоні температур
T=20–450°С і швидкостей деформації ε =0,001–0,4с−1
Таблиця 2.7 —коефіцієнти математичної моделі
Коефіцієнти m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7
Значення 121,53 -0,0021 -0,2812 -0,0148 -0,0771 -0,0025 0,6158
Коефіцієнти m8 m9 a b c d e
Значення 0,0003 0,1157 0,0007 0,0613 0,866 -0,0007 1,293
У тривимірному просторі встановлена функціональна залежність для
опису опору деформації алюмінієвих сплавів системи Al-Mg (АМг2, АМг3,
АМг5, АМг6) візуалізується поверхнею, положення якої в поточний момент
часу визначається чотирма значеннями. Як приклад, на рисунку 2.12 для
температур 30 °С і 430 °С за швидкості деформації 0,1 с⁻¹ представлені поверхні
напруження текучості для сплавів із процентним вмістом магнію від 2 до 6.
Коефіцієнт детермінації R2 =0,93, що дозволяє описати 93% спостережень
натурного експерименту. Область застосування:
- Підвищення точності розрахунків формоутворення за рахунок
застосування однієї функціональної залежності замість чотирьох.
- Зменшення обсягу досліджень, що проводяться з деформованим
матеріалом до його включення в базу даних розрахункової програми, за рахунок
врахування коливань процентного вмісту магнію у сплаві, який змінюється від
плавки до плавки.
Рисунок 2.12 демонструє ефективність запропонованої моделі для
візуалізації та прогнозування напружено-деформованого стану алюмінієвих
сплавів у широкому діапазоні технологічних умов.

44

а) температура T=30 ° С б) температура T=430 °С
Рисунок 2.12 — Залежність напруження текучості від вмісту Mg та
величини деформації за швидкості деформації 0,1 с⁻¹

45
Висновок до розділу 2
1. Представлено характеристики досліджуваних матеріалів: сплави
системи Al-Mg (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6), їх хімічний склад, основні фізико-
механічні властивості. Наведено дані щодо вибору розмірів зразків, застосованого
аналітичного обладнання для виконання фізико-хімічних методів дослідження,
випробувального обладнання для дослідження реологічних (технологічних)
властивостей, а також температурно-швидкісних умов.
2. Представлено послідовність дослідження технологічних властивостей
сплавів, яка включає: проведення випробувань на стиск циліндричних зразків,
попередню обробку результатів експериментів, побудову ізотермічних кривих
текучості. Наведено результати випробувань, спрямованих на вибір розмірів
зразків. Встановлено, що для натурних випробувань підходять зразки з
відношенням H0/D0 =1.
3. Методика, описана в пункті 2, апробована на зразках алюмінієвих
сплавів АМг2, АМг3, АМг5 та АМг6 у діапазоні температур від 20 до 450 °С і
швидкостей деформації від 0,001 до 0,4 с⁻¹.
4. Металографічне дослідження вихідного сплаву показало, що макро- та
мікроструктура матеріалу однорідна. Наявність незначної кількості дрібних
полікристалічних зерен не впливає на механічні та технологічні властивості
матеріалу.
5. На основі виконаних досліджень представлено характеристики
вивчених матеріалів, зокрема сплавів системи Al-Mg, їх хімічний склад і
технологічні властивості в температурно-швидкісному діапазоні, характерному
для холодного, теплого, напівгарячого і гарячого штампування. Встановлено, що
досліджувані сплави у вихідному стані при температурі 20 °С демонструють
негативну чутливість напруження текучості до швидкості деформації через
динамічне деформаційне старіння.

46
РОЗДІЛ 3 АНАЛІЗ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПРИ
ГАРЯЧІЙ ШТАМПОВЦІ ПУСТОТІЛИХ ОСЕСИМЕТРИЧНИХ ВИРОБІВ З
ФЛАНЦЕМ
3.1 Текучість матеріалу в зоні деформації
На рисунку 3.1 наведено результати моделювання в програмному
забезпеченні QForm, які ілюструють течію матеріалу у формоутворювальній
порожнині (тривимірна постановка задачі з двома площинами симетрії).
Порожнина формується двома інструментами – пуансоном і матрицею. На
рисунках 3.1б–3.1г показано розподіл напружень по перерізу виробу, отриманого в
результаті гарячого ізотермічного штампування.

б) зворотне видавлювання та
а) вихідне положення заготовки в
формування вертикальної стінки
інструменті
виробу

в) заповнення нижньої порожнини в г) кінцева стадія формоутворення
матриці виробу
Рисунок 3.1 — Моделювання ізотермічного штампування порожнистого
осесиметричного виробу з фланцем у ПО QForm [15]

47
Очаг деформації поступово поширюється по перерізу виробу. Це призводить
до проробки макроструктури виробу та зміни картини розподілу напруження
текучості по перерізу (див. рисунки 3.1б–3.1г). На завершальній стадії
формоутворення (див. рисунок 3.1г) у перерізі спостерігається формування двох
застійних зон: у донній частині виробу та в середній частині вертикальної стінки.
Їх наявність не впливає на якість отриманого виробу.
Однак форма донної частини матриці (див. рисунок 3.1г) може впливати на
силу деформування та стійкість нижньої частини формоутворювальної поверхні
матриці (стійкість інструмента в цій дисертаційній роботі не оцінюється). При
збільшенні глибини порожнини в донній частині виробу сила деформування
зростатиме, а заповнення порожнини буде ускладненим.
З отриманих результатів моделювання (див. рисунок 3.1) видно, що
порожнина матриці повністю заповнюється; проте на основі отриманого поля
опору деформації неможливо зробити висновок про утворення дефектів. Для
діагностики й прогнозування появи дефектів типу «утяжина» та/або «простріл»
необхідно застосувати додаткові інструменти програми.
На рисунку 3.2а показано розташування ліній течії (волокон матеріалу) у
виробі на завершальній стадії формоутворення та область фланця, у якій
спостерігається їх викривлення. За розподілом ліній течії матеріалу в очазі
деформації в поєднанні зі значенням поля Гартфілда (рисунок 3.2б, область «А1»)
можна оцінити можливе утворення дефектів типу «утяжина» та/або «простріл» в
очазі деформації.
Таким чином, результати комп’ютерного моделювання демонструють
принципову можливість виготовлення порожнистого осесиметричного виробу з
фланцем зі сплаву АМг6 за одну операцію. Проте існує ризик відриву матеріалу від
поверхні пуансона (див. рисунок 3.1б), що спостерігається в точці «А» (див.
рисунок 3.2а). Це може спричинити втрату стійкості вертикальної стінки, яка
визначається відносним розміром Ht /tст, та утворення дефектів на внутрішній
поверхні фланця.

48

а) викривлення макроструктури та
б) поле Гартфілда в області «А1»
розміри стінки, які характеризують

втрату стійкості виробу в області фланця
Рисунок 3.2 — Модель перерізу досліджуваного виробу в області
можливого утворення дефекту (розрахунок у QForm)

Основними параметрами [16], які впливають на утворення досліджуваних
дефектів, є: товщина фланця (ℎф); товщина вертикальної стінки (tст); висота вільної
стінки (Ht); радіуси заокруглення в області, прилеглій до фланця виробу; фактор
тертя (m) технологічного мастила; початкова температура нагріву заготовки та
інструмента для гарячого ізотермічного штампування.
На рисунку 3.2а позначено чотири характерні точки: У точці А
спостерігається максимальний відхід (tвідх) металу від формоутворювальної
поверхні пуансона.
Товщина стінки (tст ) вимірюється між точкою А та Г по нормалі до поверхні
в місці максимального відходу. Точки Б і В визначають значення висоти вільної
стінки (Ht). Значення параметрів Ht і tст будуть визначені далі на основі натурних і
обчислювальних експериментів.

49
Параметр Ht /tст характеризує можливу втрату стійкості стінки заготовки
наприкінці етапу зворотного видавлювання (див. рисунки 3.5б, 3.6б, 3.8в) за умови,
що металу в заготовці достатньо для початку радіального видавлювання фланця.
3.2 Етапи формоутворення в осередку деформації
Попередні результати розрахунків показують, що течія матеріалу в осередку
деформації відбувається за рахунок комбінованого процесу:
стиску (рисунок 3.3а),
прямого видавлювання (рисунок 3.3б, г, д),
зворотного видавлювання (рисунок 3.3б, в),
поперечного (радіального) видавлювання (рисунок 3.3е, ж).
Постановка задачі — тривимірна, із застосуванням площин симетрії;
моделюється течія металу в одній четвертій частині заготовки. Такий підхід
дозволяє якісно оцінити характер течії металу, однак не дає змоги якісно та
кількісно прогнозувати утворення дефектів.

б) пряме видавлювання та початок
а) вихідне положення заготовки в
формування вертикальної стінки виробу
інструменті (3D-постановка задачі з
за рахунок зворотного видавлювання
площинами симетрії)
матеріалу

50
в) завершення зворотного видавлювання, під г) початок прямого видавлювання в
час якого матеріал набирається у нижню частину та радіального
вертикальну стінку видавлювання у фланець

е) інтенсивна течія матеріалу за рахунок
д) завершення прямого видавлювання та
радіального видавлювання та
оформлення нижньої частини виробу
оформлення фланця виробу

ж) завершення радіального видавлювання та з) контактна поверхня (синя)
остаточне оформлення фланця виробу відштампованого виробу
Рисунок 3.3 — Течія матеріалу в осередку деформації

а) гаряче об'ємне штампування з
б) гаряче ізотермічне штампування
облойом
Рисунок 3.4 — Розподіл накопиченої деформації на момент завершення
радіального видавлювання та оформлення фланця виробу (тривимірна постановка
задачі з двома площинами симетрії)

51
Максимальне значення інтенсивності (накопиченої) деформації на кожному
з виділених етапів варіюється від 2,5 до 8,87. Проработка структури штампованого
виробу значно відрізняється залежно від застосовуваних технологій (гаряче об'ємне
штампування та гаряче ізотермічне штампування) (див. рисунок 3.4).
При гарячому об'ємному штампуванні:
Розподіл накопиченої деформації в осередку деформації показує, що нижня
частина виробу практично не деформується; течія матеріалу відбувається у верхній
частині виробу.
Матеріал ковзає по поверхні верхнього рухомого інструмента, що
призводить до заповнення порожнини матриці, в якій формується фланець.
Максимальне значення накопиченої деформації — 5,0, яке досягається в
області містка облойної канавки (див. рисунок 3.4а).
Глибина центральної порожнини незначна, і процес об'ємного штампування
зазвичай реалізується за два-три переходи.
Зворотне видавлювання практично відсутнє, що виключає ризик утворення
дефектів типу "утяжина", але забезпечується низький КВМ (коефіцієнт
використання металу).
При гарячому ізотермічному штампуванні:
Процес виконується за один перехід, а розподіл деформації (див. рисунок
3.4б) та характер викривлення ліній (див. рисунок 3.2) вказують на можливий ризик
утворення дефектів на внутрішній поверхні фланця.
Додаткові дослідження:
На рисунку 3.5 показано етапи течії металу для тривимірної постановки
задачі без площин симетрії. Результати моделювання дозволяють уточнити
картину течії металу, а також визначити варіанти для натурного експерименту.
Експеримент буде спрямований на отримання дослідних зразків штампованих
виробів з різними значеннями параметрів, які впливають на утворення дефекту в
області "А1" (див. рисунок 3.2). На рисунку 3.6 показано зміну щільності сітки

52
скінченних елементів, що дозволяє моделювати нерівномірність течії матеріалу та
дефектоутворення.
На рисунку 3.7 представлено зміни швидкості деформації в різних точках
області, в якій формується дефект. У деяких випадках зміни є значними, залежно
від положення точок за висотою області та їх відношення до меж розриву
швидкості I і II (див. рисунок 3.7).

б) зворотне в) початок
г) формування
видавлювання радіального
фланця
стінки видавлювання

а) вихідне положення
заготовки в
д) завершення
інструменті (3D- е) сформований дефект
деформування
постановка задачі без
площин симетрії)
Рисунок 3.5 — Течія матеріалу в осередку деформації та формування дефекту

53

в) початок
б) зворотне г) формування
радіального
видавлювання стінки фланця
видавлювання

а) вихідне
положення заготовки е) течія металу в області
д) завершення формування
в інструменті (3D- сформованого дефекту
фланця
постановка задачі без (область «А1»)
площин симетрії)
Рисунок 3.6 — Поле вектора швидкості течії металу в осередку деформації

а) початок течії матеріалу у фланцеву б) початок течії матеріалу у фланцеву
частину поковки частину поковки

54

в) розподіл швидкості деформації у трасованих точках поблизу першої межі
розриву швидкості
Рисунок 3.7 — Зміна швидкості деформації при проходженні матеріальних
точок через межі розриву швидкостей
У приконтактному шарі (точки 1, 2, 3 — див. рисунок 3.7а, в), при перетіканні
деформованого матеріалу через радіус заокруглення, швидкість деформації в
трасованій точці змінюється в межах одного порядку до 0,1–0,65 с⁻¹ (див. рисунок
4.7в).
При переході матеріальної точки 2 через першу межу I розриву (точка 2 —
див. рисунок 3.7а) швидкість деформації в ній збільшується стрибкоподібно
приблизно в 4 рази і досягає значення близько 0,4 с⁻¹; найбільше значення
швидкості деформації спостерігається в точці 3.
У точках 4 і 5, віддалених від приконтактного шару, також спостерігається
стрибкоподібна зміна швидкості деформації, але вона має значно менше значення,
і можна припустити, що в цих точках метал практично стоїть на місці.

55
У точках 6 і 7 (див. рисунок 3.7в) матеріал починає прискорюватися, що,
ймовірно, призводить до відходу деформованого металу від поверхні пуансона. Зі
збільшенням швидкості деформації слідує її різке зменшення, що призводить до
викривлення внутрішньої поверхні стінки. Подальше зміщення деформованого
матеріалу може спричинити утворення дефекту через сформовану нерівномірність
течії металу. У положенні точки 7 досягається практично максимальне значення
поля Гартфілда (див. рисунок 3.7а) та наявність мертвої зони (див. рисунок 3.7б).
3.3 Матеріал, інструмент, обладнання
Підготовлені заготовки з матеріалу АМг6 піддавалися деформуванню за
температури 430 °С в ізотермічних умовах. На рисунку 3.8 наведено схему
експериментального оснащення для постановки натурного експерименту;
зовнішній вигляд отриманих дослідних зразків показано на рисунку 3.9. Ізотермічні
умови забезпечувалися конструкцією експериментального оснащення;
температура заготовки, штампа та навколишнього середовища підтримувалася на
рівні 430 °С ± 5 °С.
Для дослідження було обрано два типи мастильних матеріалів [28, 34]:
Мастило на основі індустріального масла (ІМ+Г).
Мастило на основі синтетичного масла (СМ+Г).
Обидва мастила містять частинки колоїдного графіту як компонент
мастильного матеріалу. У кожному випадку розмір частинок колоїдного графіту
був меншим за 15 мкм. Значення факторів тертя кожного мастила наведено в
таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 — Залежність тертя від температури [28, 30]
Температура, C ІМ+Г СМ+Г
200 0,194 0,249
300 0,180 0,235
390 0,151 0,186
430 0,132 0,154
450 0,122 0,136
470 0,111 0,116

56
Експерименти проводилися на гідравлічному пресі з максимальною силою
(Pмакс) 2,5 МН (250 тс). Номінальна швидкість деформування (v) становила 2 мм/с.

Рисунок 3.8 — Схема оснащення (нагрівальний елемент — індуктор, не
показаний): 1 — пуансон; 2 — пуансон-знімач; 3 — матриця; 4 — виштовхувач; 5
— підкладна плита; ℎф — товщина фланця;ℎk — висота підкладного кільця, яке
забезпечує зазор між пуансоном-знімачем і матрицею.
3.4 Результати експерименту
На рисунку 3.9 наведено отримані дослідні зразки, з яких виготовляли
макрошліфи. Візуальним оглядом і за макрошліфами визначалися ті варіанти
штампування, за яких утворювався дефект.
Дослідні зразки із заготовки розміром H0 ×D0 =92×65мм після штампування
отримувалися без дефектів. Для заготовки зі співвідношенням k= H0/D0>1,5 існує
ймовірність утворення дефекту типу «утяжина». Це особливо характерно для
заготовки розміром H0×D0 =150×50 мм, для якої спостерігається втрата
поздовжньої стійкості у стінці, що формується під час зворотного видавлювання.
Особливості поведінки матеріалу:

57
Утворюється висока стінка, яка наприкінці зворотного видавлювання при
контакті з пуансоном у точці В починає рухатися вниз разом із пуансоном.
Це рух супроводжується початком радіального видавлювання, відходом
металу в точці А (див. рисунок 4.2а) і втратою стійкості.
Для заготовки з H0×D0 =150×50 мм (H0/D0 =3) спостерігається ще одна втрата
поздовжньої стійкості — на початку робочого ходу пуансона до початку
зворотного видавлювання.
Зменшення ризику дефектів:
Щоб уникнути цього і виконати зворотне, а потім радіальне видавлювання,
на вихідній заготовці формувалося потовщення. Потовщення створювалося на
початку робочого ходу з використанням підкладного інструмента. Після
формування потовщення підкладний інструмент видалявся з експериментального
оснащення, і робочий хід продовжували для забезпечення зворотного й радіального
видавлювання. Це дозволило отримати порожнистий осесиметричний виріб із
фланцем із заготовки з H0/D0=3 за один робочий хід.
Висновки:
Чим вищий параметр k, тим більше співвідношення Ht/tст, і тим вища
ймовірність утворення дефекту.
Зменшення товщини стінки t підвищує ризик втрати стійкості.
Отримані результати натурного експерименту дозволяють перейти до
обчислювального експерименту та розробки комп’ютерної моделі технологічної
операції комбінованого видавлювання порожнистих осесиметричних виробів із
фланцем, реалізованої в умовах гарячої ізотермічної деформації. Ця модель
дозволяє оцінити: енергосилові параметри, напружено-деформований стан в
осередку деформації, розподіл компонентів швидкості деформації, ймовірність
утворення дефектів типу «утяжина» та «простріл».

58

а) H0=92 и D0=65 (№ 1-7)

б) H0=92 и D0=60/55/50 (№ 8-10)

в) H0=109 и D0=60/50 (№ 11-14)

г) H0=130/150 и D0=50 (№ 15-18)

д) H0=46 и D0=92 (№ 19-20)
Рисунок 3.9 — Результати експерименту (дослідного штампування)

59
3.5 Моделювання радіального видавлювання
Процес радіального видавлювання для формування фланця відбувається
після того, як деталь була заповнена в нижній частині. Результати показують (див.
рисунок 3.10), що комп’ютерна модель технологічної операції комбінованого
видавлювання досить точно відображає процес видавлювання, а також параметри
матеріалу, що використовується для виготовлення деталей.
Аналіз течії матеріалу в осередку деформації показує наступне:
Існують застійні зони, які формуються під час переходу від прямого або
зворотного видавлювання до радіального.
Найбільш виражена неоднорідність структури матеріалу в перерізі виробу
спостерігається в області переходу від вертикальної стінки до фланця виробу.
У цій області спостерігається згущення ліній, характерне для інтенсивного
течії деформованого матеріалу.
Макроструктура, отримана за допомогою металографії, для дослідних зразків
(див. рисунок 3.10) була зіставлена з результатами розрахунків обчислювального
експерименту. Було виявлено гарну відповідність між результатами розрахунків і
натурного експерименту за всіма етапами плану експерименту.

макроструктура заготовок за результатами металографії

3D-вид відштампованих заготовок із лініями течії (розрахунок у QForm)

60

Площина перерізу відштампованих заготовок із лініями течії (розрахунок у
QForm)
Рисунок 3.10 — Порівняння натурного та комп’ютерного експериментів для
заготовок №7, №9, №16, №20 на етапі радіального видавлювання
Сильне викривлення трасованих ліній (ліній течії; див. рисунок 3.10, середній
ряд) під час проведення обчислювального експерименту в програмі QForm
призводить до того, що в місці формування дефекту типу «простріл» лінії
зміщуються з площини перерізу, у якій вони були задані в режимі постпроцесора
для аналізу результатів розрахунку.
Для аналізу викривлення ліній течії в площині перерізу (див. рисунок 3.10,
нижній ряд) у програмі QForm був виконаний додатковий розрахунок із
використанням підпрограми Переміщення, включеної до бібліотеки стандартних
підпрограм ПО QForm. Результат додаткового розрахунку показаний на рисунку
3.10 (нижній ряд).
Ці результати дозволяють краще зрозуміти природу деформації матеріалу та
уточнити моделювання місць утворення дефектів.
3.6 Порядок технологічного процесу ізотермічного штампування
Порядок розробки технологічного процесу гарячого ізотермічного
штампування порожнистих осесиметричних виробів із фланцем методом
комбінованого видавлювання з алюмінієвих сплавів визначається рекомендаціями,
наведеними в роботах [1, 27, 30], і складається з наступних етапів:
Складання креслення поковки за кресленням деталі.
Визначення розмірів заготовки.
Визначення технологічної сили та схеми штампа.
Описаний порядок розробки допускає та передбачає:

61
1) Штампування виконується за одну операцію у штампі для
видавлювання.
2) Спосіб отримання заготовки, форма, розміри та підготовка її поверхні,
а також вибір типу обладнання визначаються технічними можливостями
виробництва.
3) Режим термічної обробки зумовлений матеріалом виробу (алюмінієвий
сплав системи Al-Mg — у роботі вивчено опір деформуванню сплавів АМг2, АМг3,
АМг5, АМг6).
Отримані в роботі результати дозволяють запропонувати рекомендації щодо
вдосконалення проєктування технологічного процесу гарячого ізотермічного
штампування поковки, показаної на рисунку 3.2. Технологічний процес
реалізується на універсальному гідравлічному пресі із застосуванням
спеціалізованого штампа [37] за одну операцію.
Рекомендації можуть бути поширені на штамповані вироби (див. рисунок 3.2)
із характерними розмірами та формою:
1) Осесиметричний виріб із центральною порожниною та фланцем
(фланець може бути відсутнім).
2) Діаметр фланця становить 1,5–2 діаметри центральної частини виробу,
а співвідношення діаметра фланця до його товщини — не більше 85 мм.
3) Матеріал виробу — алюмінієвий сплав системи Al-Mg із процентним
вмістом магнію від 2 до 6%, для якого отримана узагальнена реологічна залежність
між опором деформуванню та параметрами: процентний вміст магнію,
температура, швидкість деформації та величина деформації.
3.7 Рекомендації щодо розробки технологічного процесу ізотермічного
штампування із заготовки з 1<H0/D0≤2
На основі діаграм, та з урахуванням значення поля Гартфілда обираємо таке
співвідношення H0/D0, яке забезпечує:

62
1. отримання бездефектної поковки (без утяжини та/або прострілу в
області фланця – див. рисунок 3.2);
2. отримання поковки з мінімально допустимою утяжиною та/або
прострілом.
Друга умова виконується, якщо величина дефекту (протяжність) не
перевищує половини припуску під механічну обробку на поковці. Діапазон значень
H0/D0 від 1 до 1,5 відповідає вищезазначеним умовам. При цьому значення поля
Гартфілда не перевищує 1,04–1,13. У цілому, формоутворення здійснюється за
рахунок комбінованого видавлювання, а заповнення фланця – радіального
видавлювання (див. рисунок 3.11).

а) Початкове б) Пряме-зворотне в) Початок г) Завершення
положення видавлювання радіального оформлення
заготовки в видавлювання фланця виробу
інструменті
Рисунок 3.11 – Стадії формування поковки при комбінованому
видавлюванні із заготовки 1<H0/D0≤2
3.8 Рекомендації щодо розробки технологічного процесу ізотермічного
штампування із заготовки з H0/D0≤1
На основі діагра, при значенні H0/D0≤1 раціональний режим гарячого
ізотермічного штампування, який забезпечує отримання поковки без
утяжини/прострілу або з мінімально допустимим дефектом, що видаляється під час
подальшої механічної обробки, відповідає значенню поля Гартфілда, рівному 0,42.

63
У цьому випадку реалізується схема витяжки в ізотермічних умовах, яка
детально описана в роботі [24]. Вихідна заготовка розташовується у верхній
частині штампа, а деформований матеріал тільки наприкінці робочого ходу
заповнює нижню частину штампа (див. рисунок 3.12). Для порівняння, при
комбінованому видавлюванні (див. рисунок 3.11) нижня частина штампа
заповнюється протягом усього процесу, а фланець – наприкінці робочого ходу.

в) Витяжка,
а) Початкове зворотне
г) Завершення
положення б) Витяжка видавлювання та
оформлення
заготовки в початок
фланця виробу
інструменті радіального
видавлювання
Рисунок 3.12 – Стадії формування поковки при комбінованому видавлюванні
із заготовки H0/D0≤1
При гарячому ізотермічному штампуванні із заготовки з розмірами H0/D0 від
0,5 до 1,0 поле Гартфілда приймає максимальне значення, що не перевищує 0,42–
1,03. У цілому, формоутворення здійснюється за рахунок витяжки, а заповнення
фланця – радіального видавлювання (див. рисунок 3.12).

64
Висновок до розділу 3
1. Проведено експериментальне дослідження утворення утяжини в
процесі комбінованого видавлювання в умовах гарячої ізотермічної деформації
осесиметричного виробу з фланцем. Отримані результати експериментів
дозволили виконати розв’язання трьох калібрувальних задач (стиск заготовки,
стиснення заготовки зі співвідношенням H0/D0 ≥2,5, зворотне видавлювання).
Розв’язання задач виконано чисельно з використанням комп’ютерного
імітаційного моделювання; порівняння з натурним експериментом показало
хороше співпадіння результатів.
2. Виконано обчислення, які відтворює експерименти, пов’язані з
комбінованим видавлюванням в умовах гарячої ізотермічної деформації
осесиметричного виробу з фланцем. У кожному розрахунковому випадку
визначено поле Гартфілда для оцінки утворення утяжини. Отримані результати
дозволили виявити параметри, які впливають на появу утяжини.
3. Залежності можуть бути застосовані для прогнозування утворення
дефектів і розробки режимів комбінованого видавлювання в умовах гарячої
ізотермічної деформації осесиметричного виробу з фланцем, діаметр якого у 1,5–2
рази більший за діаметр його центральної частини, при цьому співвідношення
діаметра фланця до його товщини не перевищує 85. Це дозволяє керувати стійкістю
течії матеріалу у стінці заготовки під час її формоутворення.
4. Інтегровані в програму для прогнозування сили деформування
математичні моделі сплавів системи Al-Mg отримані на основі експериментальних
даних. Адекватність моделей перевірена шляхом порівняння результатів
розрахунку напруження текучості з експериментальними даними. Знайдене
значення напруження текучості використовується для розрахунку сили
деформування заготовок у процесі холодного, напівгарячого або гарячого
штампування алюмінієвих сплавів системи Al-Mg із вмістом магнію від 2 до 6%
5. Проаналізовано режими комбінованого видавлювання в умовах гарячої
ізотермічної деформації осесиметричних виробів із фланцем: Режими дозволяють

65
керувати стійкістю заготовки під час її комбінованого видавлювання. Вибір
режиму базується на алгоритмі прогнозування утворення дефектів.

66
Розділ 4 Охорона праці та безпека у НС
4.1 Вимоги безпеки під час гарячої штамповки
НПАОП 28.0-1.33-13 «Правила охорони праці під час ковальсько-пресових
робіт».
Вимоги безпеки під час штампування на кривошипних
гарячештампувальних і гвинтових пресах
1. Кривошипні преси повинні мати гальмові пристрої для забезпечення після
кожного робочого ходу автоматичного відключення пускового пристосування і
зупинки повзуна (траверси) у крайньому вихідному положенні.
2. Преси кривошипні гарячештампувальні повинні мати пристрій для
надійного забезпечення виведення повзуна зі стану заклинювання (зупинка
повзуна біля крайнього нижнього положення), виникнення якого можливе
внаслідок великих зусиль при деформуванні.
3. Установлення штампів на пресі необхідно виконувати при виключених
механізмах, коли повзун преса знаходиться в крайньому верхньому положенні при
підведеному під повзун упорі.
4. При установленні штампів на кривошипні гарячештампувальні преси
необхідно забезпечувати потрібний зазор між нижньою і верхньою вставками при
крайньому нижньому положенні повзуна для унеможливлення зіткнення вставок
під час роботи.
5. Під час установлення штампів на гвинтові преси необхідно забезпечувати
потрібний зазор між нижньою і верхньою вставками штампів у крайньому
нижньому положенні повзуна за допомогою ударних пластин.
6. Не дозволяється на гвинтовому пресі підкладати на лінію рознімання
штампів прокладки і виконувати робочі ходи в разі затримання заготовки у верхній
вставці штампа.
Вимоги безпеки під час штампування на гідравлічних пресах

67
1. Під час штампування на гідравлічних пресах для захисту працівників від
падаючих гайок, що відгвинтилися, шпильок і частин сальника, що розірвалися, на
траверсі під фланцями необхідно установити металевий кожух для їх уловлення.
2. Індукційне нагрівання півматриць штампа повинно виконуватися за
наявності захисного кожуха трансформатора та водоохолодження індуктора.
3. Під час роботи на установках з індукційним нагріванням необхідно
використовувати кліщі та інші ручні інструменти, виготовлені з немагнітних
матеріалів.
Укладати заготовки в штамп і витягати їх зі штампа необхідно тільки через
спеціальне робоче вікно в нагрівальному блоці.
Вимоги безпеки під час штампування з нагріванням у печах
1. Нагрівальне (пічне) устаткування повинно відповідати вимогам НПАОП
28.5-1.02-07.
2. Під час штампування з нагріванням не дозволяється застосовувати штампи
з чавунів, термічно зміцнених сталей та сталей з утворенням механічно нестійкої
окалини.
3. Установлення та знімання штампів і пристосувань необхідно виконувати
після відключення і зупинення частин устаткування, що обертаються і рухаються,
та охолодження штампа. Дозволяється виконувати установлення і знімання
нагрітих штампів із застосуванням спеціальних засобів і пристроїв захисту
відповідно до вимог чинного законодавства.
4. Під час штампування з нагріванням необхідно застосовувати змащувальні
матеріали, визначені технічною документацією на устаткування.
5. Для утримання і переміщення нагрітих заготовок необхідно застосовувати
засоби механізації та ручний інструмент (пінцети, кліщі).
6. Відштамповані нагріті деталі необхідно укладати на стелажі або на піддони
з термоізольованим покриттям та у термошафи.
Вимоги безпеки під час штампування з нагріванням на установках
радіаційного типу з електричним джерелом випромінювання

68
1. Нагрівальну панель штампувального устаткування необхідно екранувати
відповідно до вимог чинного законодавства.
2. Включати нагрівання заготовок необхідно після встановлення заготовки на
штампі. Заготовки необхідно нагрівати поштучно.
3. Контрольні виміри температури заготовки необхідно виконувати
дистанційно або за допомогою контактної термопари.
4. Нанесення на штампи необхідно виконувати під час перебування
нагрівальної панелі в крайньому неробочому положенні.
Вимоги безпеки під час штампування з електроконтактним нагріванням
1. Заготовки необхідно нагрівати поштучно.
2. Під час розміщення і затискання заготовки в контактах, нанесення на
штампи змащувальних матеріалів, визначених технічною документацією на
устаткування, профілактичного знежирення і зачищення контактів нагрівальну
установку необхідно знеструмити.
3. Знежирення і зачищення контактів необхідно виконувати механічним
способом з подальшим протиранням тампоном, змоченим неорганічним
розчинником або холодною водою, і сушінням серветками.
4.2 Вимоги безпеки під час виконання штампувальних робіт
Під час виконання штампувальних робіт необхідно дотримуватися вимог, які
зазначені в Правилах охорони праці під час холодного оброблення металів НПАОП
0.00-1.68-13.
Під час штампування дрібних деталей невеликими партіями подавання
заготовок у штамп необхідно виконувати із застосуванням засобів малої
механізації (лотків, шиберів).
Подавання заготовок у штамп і видалення відштампованих деталей і відходів
зі штампа вручну дозволяється за наявності на пресі ефективних захисних
пристроїв (дворуке включення, фотоелементний захист, огородження небезпечної
зони преса) або при застосуванні штампів безпечної конструкції, висувних або
відкидних матриць, зблокованих із ввімкненням преса.

69
На невеликих штампах, застосовуваних на пресах з малим ходом повзуна,
необхідно передбачати зазори безпеки між рухомими і нерухомими їх частинами.
На пресах з великим ходом повзуна зазор безпеки повинен бути збільшений
з таким розрахунком, щоб кисть руки працівника не була притиснута в нижньому
положенні повзуна.
Якщо за умовами роботи (установка штампа на пресі з нерегульованим
великим ходом повзуна) неможливо дотримати зазори безпеки між рухомими і
нерухомими частинами, небезпечні зони повинні бути обгороджені.
У штампах з напрямними колонками повинно блокуватися сходження
напрямних втулок з колонок під час підйому повзуна.
Противіджимні пристрої не повинні виходити з напрямного отвору під час
роботи преса або вони повинні розташовуватися на штампі відповідно до вимог
технологічної документації, затвердженої роботодавцем. Застосування випадкових
шайб і прокладок під час кріплення штампів не дозволяється.
Під час закріплення верхньої частини штампа за допомогою хвостовика
розміри його повинні відповідати отворові в повзуні преса. За потреби повинні
використовуватися інші наявні в повзуні преса елементи кріплення (різьбові,
наскрізні отвори).
Застосовувати на хвостовиках штампів перехідні втулки дозволяється у
випадках, коли хвостовик призначений тільки для центрування.
Під час закріплення верхньої частини штампа до повзуна преса тільки
хвостовиком, а також при застосуванні кулькових напрямних елементів сходження
напрямних втулок зі стовпчиків під час роботи штампа не дозволяється.
Установлення декількох пружин у штампах в наборі по висоті без
центрувальних елементів, які запобігають зсуванню пружин, не дозволяється.
Штампи із твердосплавними робочими деталями установлювати на підкладні
бруси не дозволяється.
Видалення застряглих у штампі деталей і відходів необхідно виконувати
відповідними пристроями (гачками, щітками) при вимкненому пресі.

70
Змащування штампів необхідно виконувати за допомогою спеціальних
пристосувань (ручних розбризкувачів або стаціонарних пристроїв для змазування)
для запобігання потраплянню рук працівника у небезпечну зону.
Під час роботи на пресах необхідно систематично перевіряти кріплення
штампів до преса, кріплення деталей штампів, стан захисних пристроїв, прочищати
канали для змащення і виходу повітря.
4.3 Вимоги безпеки до штампувальника при роботі на пресах
До самостійної роботи як штампувальника при роботі на пресах
допускаються особи не молодші 18 років, які пройшли медичний огляд, а також:
− вступний інструктаж;
− інструктаж з пожежної безпеки;
− первинний інструктаж на робочому місці;
− навчання безпечним методам та прийомам праці не менше ніж за 10
годинною програмою.
Штампувальник при роботі на пресах повинен проходити:
• повторний інструктаж з безпеки праці на робочому місці не рідше ніж через
кожні три місяці;
• позаплановий та цільовий інструктажі при зміні технологічного процесу чи
правил з охорони праці, заміні або модернізації виробничого обладнання,
пристроїв та інструменту, зміні умов та організації праці, при порушеннях
інструкцій з охорони праці, перервах у роботі більш ніж на 60 календарних днів
(для робіт, до яких пред'являються підвищені вимоги безпеки – 30 календарних
днів);
• медичний огляд.
Штампувальник при роботі на пресах зобов'язаний:
• дотримуватись правил внутрішнього трудового розпорядку, встановлених
на підприємстві;
• дотримуватись вимог інструкції, щодо заходів пожежної безпеки, інструкції
з електробезпеки;

71
• дотримуватись вимог безпеки при роботі на пресах;
• використовувати за призначенням та дбайливо ставитися до виданих засобів
індивідуального захисту.
Штампувальник під час роботи на пресах повинен:
• вміти надавати першу (долікарську) допомогу потерпілому при нещасному
випадку;
• знати місце розташування засобів надання долікарської допомоги,
первинних засобів пожежогасіння, головних та запасних виходів, шляхів евакуації
у разі аварії чи пожежі;
• виконувати лише доручену роботу та не передавати її іншим без дозволу
майстра чи начальника цеху;
• під час роботи бути уважним, не відволікатися та не відволікати інших, не
допускати на робоче місце осіб, які не мають відношення до роботи;
• утримувати робоче місце у чистоті та порядку.
Штампувальник при роботі на пресах повинен знати та дотримуватися
правил особистої гігієни. Приймати їжу, курити, відпочивати тільки у спеціально
відведених для цього приміщеннях та місцях. Пити воду тільки із спеціально
призначених для цього установок.
У разі виявлення несправностей обладнання, пристроїв, інструментів та
інших недоліків або небезпек на робочому місці негайно повідомити майстра або
начальника цеху. приступити до роботи можна тільки з їхнього дозволу після
усунення всіх недоліків.
При виявленні загоряння або пожежі:
• вимкнути обладнання;
• повідомити пожежну охорону та адміністрацію;
• розпочати гасіння пожежі первинними засобами пожежогасіння, що є в
цеху, відповідно до інструкції з пожежної безпеки.
При загрозі життю - залишити приміщення.

72
При нещасному випадку надати потерпілому першу (долікарську) допомогу,
негайно повідомити про те, що трапилося майстру або начальнику цеху, вжити
заходів щодо збереження обстановки події (стан обладнання), якщо це не створює
небезпеки для оточуючих.
За невиконання вимог безпеки, викладених у цій інструкції, робітник несе
відповідальність згідно з чинним законодавством.
Відповідно до "Типових галузевих норм безкоштовної видачі робітникам та
службовцям спеціального одягу, спеціального взуття та інших засобів
індивідуального захисту" штампувальник повинен використовувати наступні ЗІЗ:
костюм бавовняний, черевики шкіряні, рукавиці комбіновані.
Основними небезпечними та шкідливими виробничими факторами за певних
обставин можуть бути:
• елементи виробничого обладнання;
• несправний робочий інструмент;
• частинки металу, що відлітають;
• електрострум;
• промисловий пил;
• виробничий шум.
При знаходженні на території штампувальник при роботі на пресах повинен
дотримуватися таких вимог: до місця роботи та з роботи штампувальник повинен
проходити тільки встановленими маршрутами, позначеними покажчиками
«Службовий прохід»;
4.4 Вимоги безпеки перед початком роботи
Перед початком роботи штампувальник при роботі на пресах повинен
одягнути справний спецодяг і спецвзуття, що покладає за нормами, привести його
в порядок, застебнути на гудзики обшлага рукавів.
Перевірити своє робоче місце, воно має бути рівномірно освітлене (без
відблисків), не захаращене сторонніми предметами.

73
Забезпечити надійність кріплення штампів та у процесі роботи вести
періодичний контроль за їх кріпленням.
Перевірити наявність довкола робочого місця захисних огорож.
Наявність запобіжних пристроїв, що зблоковані з пусковими механізмами.
Перевірити справність інструменту та пристроїв:
• рукоятка ударного інструменту (молотка тощо) повинна мати овальну
форму в поперечному перерізі та бути прямою;
• поверхня бойка молотка має бути опуклою, гладкою, нескошеною, без
задирок;
• інструмент ударної дії (зубіла, крейцмейселі, борідки та ін.), повинні мати
гладку потиличну частину без тріщин, задирок, наклепу та скосів;
• веретено ручного інструменту із загостреним робочим кінцем (напилки,
викрутки тощо) повинно надійно закріплюватися в рівній, гладко зачищеній
рукоятці, яка, для більшої міцності, повинна бути стягнута з обох кінців
металевими кільцями бандажними;
• гайкові ключі повинні відповідати розмірам болтів і гайок, позіхання
гайкових ключів повинні мати суворо паралельні губки, відстань між якими
повинна відповідати стандартному розміру, позначеному на ключі;
• торцеві та накидні ключі не повинні зміщуватися у з'єднаних рухомих
частинах.
При необхідності використання переносного світильника, перевірити:
наявність захисної сітки, справність шнура та ізоляційної трубки, справність
розетки та вилки. Напруга переносних світильників не повинна перевищувати 42
В. Не рекомендується використовувати саморобні переносні світильники.
4.5 Вимоги безпеки під час роботи
При виконанні робіт на пресах повинен здійснюватись регулярний контроль
за надійністю кріплення штампів.
Налагодження штампу проводити на холостих ходах преса в режимі
«Налагодження»

74
При встановленні штампів на гарячестампувальні преси необхідно звернути
увагу на забезпечення потрібного зазору між нижньою і верхньою вставками при
крайньому нижньому положенні повзуна, не допускаючи співударення вставок при
роботі.
Напівматриці гідравлічних багатоплунжерних пресів при штампуванні
повинні бути закриті і затиснуті зусиллям, що не допускає їх розкриття в процесі
деформування.
Блоки для кріплення штампів на багатоплунжерних гідравлічних пресах
повинні забезпечувати надійне встановлення напівматриць, пуансонів та
виштовхувачів. Особлива увага має бути приділена співвісності пуансонів та
відповідних отворів у напівматрицях.
При індукційному нагріванні напівматриць необхідно забезпечити:
- справність захисного кожуха трансформатора;
- водоохолодження індуктора до його повного остигання
Укладати заготовки в штамп і вилучати їх із штампу слід лише через
спеціальне вікно в нагрівальному блоці.
При заміні штампів-вставок у гарячому стані слід застосовувати допоміжний
інструмент, що виключає торкання нагрітих поверхонь руками.
Необхідно застосовувати заходи, що запобігають попаданню рідини на
нагрівальний бак.
Якщо електроустаткування несправне, викликати електромонтера.
Вимоги безпеки у аварійних ситуаціях.
При виникненні аварійної ситуації штампувальник зобов'язаний припинити
роботу, негайно повідомити про те, що трапилося майстру (бригадиру) і далі
виконувати його вказівки щодо попередження нещасних випадків або усунення
аварійної ситуації.
Працівники, які знаходили поблизу, за сигналом тривоги зобов'язані негайно
з'явитися до місця події та взяти участь у наданні потерпілому першої долікарської
допомоги або усунення аварійної ситуації.

75
При ліквідації аварійної ситуації необхідно діяти відповідно до
затвердженого депо плану ліквідації аварій.
У разі пожежі повідомити в пожежну охорону та керівника роботи
Гасити предмети, що горять, що знаходяться на відстані менше 2 м від
контактної мережі, дозволяється тільки вуглекислотними або порошковими
вогнегасниками.
Гасити предмети, що горять водою, хімічними, пінними вогнегасниками
можна тільки за дозволом майстра, що напруга з контактної мережі знята і вона
заземлена.
Вимоги безпеки після закінчення роботи
Знеструмити електропривод, привід преса.
Привести до ладу своє робоче місце. Інструменти, пристрої та мастильні
матеріали прибрати у відведене для них місце. Дрантя і займисті матеріали, щоб
уникнути самозаймання, прибрати в металеві ящики з щільними кришками.
Повідомити майстра про всі недоліки, які мали місце під час роботи, та про
вжиті заходи щодо їх усунення.
Зняти спецодяг, прибрати його в шафу, вимити руки та обличчя з милом, по
можливості прийняти душ, застосовувати для миття хімічні речовини
забороняється.

76
Загальні висновки
1. Встановлено функціональні залежності для опису опору
деформуванню алюмінієвих сплавів системи Al-Mg (АМг2, АМг3, АМг5,
АМг6) від температурно-швидкісних параметрів і процентного вмісту
магнію для діапазону швидкості деформації 0,001–0,4 с⁻¹, температури 20–
450°C і вмісту магнію 2–6%. Залежності отримано на основі фізичного
(натурного) та математичного (обчислювального) експериментів із
використанням програм MATLAB та QForm. Натурні експерименти
виконано на універсальних випробувальних машинах. Залежності подано у
вигляді ізотермічних кривих текучості та реологічних рівнянь із
розрахованими коефіцієнтами. Адекватність моделей підтверджується
коефіцієнтом детермінації R2=(0,923÷0,955). Ці залежності рекомендовано
для використання в базах даних розрахункових програм, що застосовуються
для моделювання процесів обробки металів тиском (ОМД).
2. Проведено дослідження особливостей течії матеріалу під час
формування фланця, тобто в зоні, де можливий відхід матеріалу від поверхні
формоутворювального інструмента та утворення дефектів типу «утяжина»
та/або «простріл». Отримано макроструктури зразків, які відповідають
різним умовам комбінованого видавлювання та підтверджують особливості
течії матеріалу: відхід матеріалу від поверхні інструмента, утворення
дефектів у зоні фланця.
3. Розроблено функціональні залежності, що описують
взаємозв’язок між параметрами поля Гартфілда (втрата стійкості заготовки)
та характеристиками геометрії заготовки, геометрії стінки видавлюваного
напівфабрикату й умовами контактного тертя. Ці залежності можуть бути
використані для вибору раціональних режимів деформування сплавів Al-Mg
під час комбінованого видавлювання порожнистих осесиметричних виробів
із фланцем.

77
4. Встановлено режими комбінованого видавлювання в умовах
гарячої ізотермічної деформації осесиметричних виробів із фланцем, діаметр
яких у 1,5–2 рази перевищує діаметр центральної частини, а співвідношення
діаметра фланця до його товщини не перевищує 85. При співвідношенні
H0/D0=0,5 та H0/D0=1,42 штампування відбувається без дефектів або з
мінімальним відходом матеріалу від пуансона, що не впливає на якість.
Прогнозування утворення дефектів базується на алгоритмі, який враховує
отримані функціональні залежності поля Гартфілда.
5. Запропоновано рекомендації для проєктування технології
гарячого ізотермічного штампування осесиметричних виробів із розвиненим
фланцем із алюмінієвих сплавів, що базуються на застосуванні
спеціалізованого програмного забезпечення на етапі підготовки
виробництва.

78
Список використаної літератури
1. Данченко В. М., Гринкевич В. О., Головко О. М. Теорія процесів обробки
металів тиском : підручник. Дніпропетровськ : Пороги, 2008. 370 с.
2. Данченко В. М. Обробка металів тиском : навч. посіб. Дніпропетровськ :
Пороги, 2006. 183 с.
3. Теорія та практика обробки металів тиском : монографія / за ред. В. О.
Богуслаєва, М. І. Бобиря, В. А. Тітова, О. Я. Качана. Запоріжжя : АТ «Мотор
Січ», 2016. 522 с.
4. Тітов В. А., Злочевська Н. К., Качан О. Я., Тітов А. В., Кондратюк Е. В.
Технологічна механіка забезпечення міцності та якості деталей пластичним
деформуванням : монографія. Київ : КВІЦ, 2016. 176 с.
5. Сивак Р. І., Огородніков В. А. Холодне комбіноване видавлювання :
монографія. Вінниця : ВНТУ, 2011. 179 с.
6. Сабол С. Ф. Холодне видавлювання вісесиметричних порожнистих виробів
з розтягненням стінки заготовки : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.03.05.
Київ, 2011. 20 с.
7. Сивак Р. І. Удосконалення процесів холодного комбінованого видавлювання
на основі теорії деформуємості : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.03.05.
Вінниця, 2000. 19 с.
8. Боровік П. В. Теоретичні дослідження процесів обробки металів тиском на
основі методу скінчених елементів : навч. посіб. Краматорськ : ДДМА, 2013.
9. Кузнєцов М. М., Алієв І. С. Обробка металів тиском : навч. посіб.
Краматорськ : ХНАДУ, 2007. 99 с.
10. Соколов Л. М., Алієв І. С., Марков О. Є., Алієва Л. І. Технологія кування :
підручник. Краматорськ : ДДМА, 2011. 267 с.
11. Марков О. Є. Технологія кування : навч. посіб. Краматорськ : ДДМА, 2014.
183 с.
12. Боков В. М. Обробка металів тиском : навч. посіб. Кіровоград : Імекс ЛТД,

79
2010. 321 с.
13. Дрожжа П. В., Колповський В. М. Технологічні особливості процесів
трубного виробництва. Ч. 1. Виробництво гарячедеформованих безшовних
труб : конспект лекцій. Дніпропетровськ : НМетАУ, 2011. 52 с.
14. Дрожжа П. В., Колповський В. М., Фролов Я. В. Технологічні особливості
процесів трубного виробництва. Ч. 2. Виробництво холоднодеформованих
безшовних труб : конспект лекцій. Дніпропетровськ : НМетАУ, 2012. 52 с.
15. Григоренко В. У. Холодна пільгерна прокатка труб : навч. посіб.
Дніпропетровськ : НМетАУ, 2006. 44 с.
16. Калюжний В. Л., Потятиник А. М. Аналіз схем холодного видавлювання
вісесиметричних порожнистих виробів. Наукові нотатки. 2017. Вип. 59. С.
137-143.
17. Драгобецький В. В., Калюжний О. В., Калюжний В. Л., Ситник С. В.
Підвищення точності форми і розмірів порожнистих напівфабрикатів при
гарячому зворотному видавлюванні із заготовок квадратного перерізу.
Mechanics and Advanced Technologies. 2024. № 3 (102). С. 256-264.
18. Vlasenko K., Hrudkina N., Reutova I., Chumak O. Development of calculation
schemes for the combined extrusion to predict the shape formation of
axisymmetric parts with a flange. Eastern-European Journal of Enterprise
Technologies. 2018. Vol. 3, no. 1 (93). P. 51-59.
19. Hrudkina N., Aliieva L., Markov O., Marchenko I., Shapoval A., Abhari P.,
Kordenko M. Predicting the shape formation of hollow parts with a flange in the
process of combined radial-reverse extrusion. Eastern-European Journal of
Enterprise Technologies. 2020. Vol. 4, no. 1 (106). P. 55-62.
20. Aliieva L. I., Goncharuk K. V., Shkira A. V. Bar forming parts with flanges radial
direct extrusion. Bulletin of NTU «KhPI». Series: Innovative technologies and
equipment handling materials in mechanical engineering and metallurgy. 2016.
No. 30 (1202). P. 5-10.

80
21. Hrudkina N. S. Modeling of combined radial-forward extrusion of hollow parts
with a complex profile by using the method of kinematic modules. Bulletin of the
Kyiv National University of Technologies and Design. Technical Science Series.
2020.
22. Puzyr R., Shchetynin V., Vorobyov V., Salenko A., Arhat R., Haikova T., Yakhin
S., Muravlov V., Skoriak Y., Negrebetskyi I. Improving the technology for
manufacturing hollow cylindrical parts for vehicles by refining technological
estimation dependences. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies.
2021. Vol. 6, no. 1 (114). P. 56-64.
23. Hrudkina N., Aliieva L., Abhari P., Markov O., Sukhovirska L. Investigating the
process of shrinkage depression formation at the combined radial-backward
extrusion of parts with a flange. Eastern-European Journal of Enterprise
Technologies. 2019. Vol. 5, no. 1 (101). P. 49-57.
24. Hrudkina N., Aliieva L., Markov O., Abhari P. Estimating the initial stage in the
process of radial-reverse extrusion of hollow parts with a flange. Eastern-
European Journal of Enterprise Technologies. 2022.
25. Aliieva L., Hrudkina N., Aliiev I., Zhbankov I., Markov O. Effect of the tool
geometry on the force mode of the combined radial-direct extrusion with
compression. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. Vol. 2,
no. 1 (104). P. 15-22.
26. Yang D. Y., Kim K. J. Design of processes and products through simulation of
three-dimensional extrusion. Journal of Materials Processing Technology. 2007.
Vol. 191. P. 2-6.
27. Biba N., Vlasov A., Krivenko D., Duzhev A., Stebunov S. Closed die forging
preform shape design using isothermal surfaces method. Procedia Manufacturing.
2020. Vol. 47. P. 268-273.
28. Zhang Y., Shan D., Xu F. Flow lines control of disk structure with complex shape
in isothermal precision forging. Journal of Materials Processing Technology.

81
2009. Vol. 209, no. 2. P. 745-753.
29. Shan D., Xu W., Si C., Lu Y. Research on local loading method for an aluminium-
alloy hatch with cross ribs and thin webs. Journal of Materials Processing
Technology. 2007. Vol. 187-188. P. 480-485.
30. Abbod M. F., Sellars C. M., Linkens D. A., Zhu Q., Mahfouf M. Validation and
generalization of hybrid models for flow stress and recrystallization behaviour of
aluminium-magnesium alloys. Materials Science and Engineering A. 2005. Vol.
395. P. 35-46.
31. Charpentier P. L., Stone B. C., Ernst S. C., Thomas J. R. Characterization and
modelling of high temperature flow behavior of Aluminum Alloy 2024.
Metallurgical Transactions A. 1986. Vol. 17. P. 2227-2237.
32. Mogucheva A., Saenko M., Kaibyshev R. The Portevin-Le Chatelier effect in an
Al-Mg alloy. AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1783. 020156.
33. Kim K. J., Lee C. H., Yang D. Y. Investigation into the improvement of welding
strength in three-dimensional extrusion of tubes using porthole dies. Journal of
Materials Processing Technology. 2002. Vol. 130-131. P. 426-431.
34. Markov O., Aliiev I., Aliieva L., Hrudkina N. Computerized and physical
modeling of upsetting operation by combined dies. Journal of Chemical
Technology and Metallurgy. 2020. Vol. 55, no. 3. P. 640-648.
35. Noh J., Hwang B. B., Lee H. Y. Influence of punch face angle and reduction on
flow mode in backward and combined radial backward extrusion process. Metals
and Materials International. 2015. Vol. 21, no. 6. P. 1091-1100.
36. Jamali S. S., Faraji G., Abrinia K. Hydrostatic radial forward tube extrusion as a
new plastic deformation method for producing seamless tubes. The International
Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. Vol. 88, no. 1-4. P. 291-
301.
37. Markov O., Gerasimenko O., Aliieva L., Shapoval A. Development of the metal
rheology model of high-temperature deformation for modeling by finite element

82
method. EUREKA: Physics and Engineering. 2019. No. 2. P. 52-60.
38. Zhang S. H., Wang Z. R., Wang Z. T., Xu Y., Chen K. B. Some new features in
the development of metal forming technology. Journal of Materials Processing
Technology. 2004. Vol. 151, no. 1-3. P. 39-47.
39. Ogorodnikov V. A., Derevenko I. A., Sivak R. I. On the influence of curvature of
the trajectories of deformation of a volume of the material by pressing on its
plasticity under the conditions of complex loading. Materials Science. 2018. Vol.
54, no. 3. P. 326-332.
40. Стасовський Ю. М., Чухліб В. Л., Бояркін В. В. Ресурсозбереження та
екологія в процесах обробки металів тиском : підручник. Київ : Кондор,
2015.
41. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне посилання.
Загальні положення та правила складання.
42. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і техніки.
Структура та правила оформлення.
43. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
спеціальністю 131 - «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» усіх
навчання [Електроне видання] / Уклад.: Г.В. Канашевич, О.О. Коваленко,
Є.В. Хижняк; М-во освіти і науки України, Черкас. технол. ун-т. – Черкаси :
ЧДТУ, 2023
44. ДСТУ ГОСТ 7.1:2006. Бібліографічний запис. Бібліографічний опис.
Загальні вимоги та правила складання.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets