Специальные виды штамповки: теория и технология штамповки поковок из гранул алюминиевых сплавов

В. И. Белокопытов
И. Ю. Губанов

Монография 

Институт цветных металлов и материаловедения

Специальные виды штамповки: 
теория и технология штамповки 
поковок из гранул 
алюминиевых сплавов 

В монографии представлена принципиально новая 
схема штамповки выдавливанием полых изделий непосредственно из гранул, приведена математическая модель этого 
процесса. Рассмотрен внедренный в производство технологический процесс штамповки поковок сложной конфигурации 
из предварительно скомпактированных гранул высокопрочного алюминиевого сплава.

9 785763 828061

ISBN 978-5-7638-2806-1

 

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Белокопытов, И. Ю. Губанов 
 
 
СПЕЦИАЛЬНЫЕ  ВИДЫ  ШТАМПОВКИ:  
ТЕОРИЯ  И  ТЕХНОЛОГИЯ  ШТАМПОВКИ  ПОКОВОК 
ИЗ  ГРАНУЛ  АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2013 

 

 

УДК 621.98:669.71 
ББК  34.623.3 
Б435 
 
 
 
Рецензенты: 
М. Г. Мотков, кандидат технических наук, директор ООО «Производственное объединение КраМЗ – Техносервис»;  
Р. И. Галиев, кандидат технических наук, доцент, директор направления «Навесные фасадные системы» ООО «ТехноНИКОЛЬ». 
 
 
 
 
 
Белокопытов, В. И. 
Б435 
 Специальные виды штамповки: теория и технология штамповки поковок из гранул алюминиевых сплавов : монография / 
В. И. Белокопытов, И. Ю. Губанов. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2013. – 130 с. 
ISBN 978-5-7638-2806-1 
 
 
В монографии представлена принципиально новая схема штамповки 
выдавливанием полых изделий непосредственно из гранул, приведена математическая модель этого процесса. Рассмотрен внедренный в производство технологический процесс штамповки поковок сложной конфигурации 
из предварительно скомпактированных гранул высокопрочного алюминиевого сплава. 
Предназначена для научных сотрудников, аспирантов и инженернотехнических работников, специализирующихся в области кузнечноштамповочного производства, а также для студентов, обучающихся по основной образовательной программе подготовки магистров по направлению 
«Металлургия». 
 
УДК 621.98:669.71 
ББК 34.623.3 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7638-2806-1 
© Сибирский федеральный 
университет, 2013  

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В последнее время в нашей стране и за рубежом интенсивно разрабатываются новые прогрессивные технологические процессы производства 
конструкционных материалов из гранул, получаемых диспергированием 
расплава с последующей кристаллизацией при большой скорости охлаждения. Если вопросы структурообразования и фазовых превращений при 
литье гранул уже достаточно хорошо изучены, то проблеме консолидации 
гранул в компактное состояние, достижению устойчивого формообразования полуфабрикатов и формированию их нормированных свойств до настоящего времени не уделялось должного внимания. По причине отсутствия научно обоснованных режимов горячей объемной штамповки гранул 
этим материалам оставались присущи существенные недостатки: неоднородность структуры, низкий уровень механических свойств и повышенная 
их анизотропия, развитое волокнистое строение макроструктуры и шиферный характер излома. Поэтому актуальной является проблема создания новых схем и режимов деформации, позволяющих получать изделия с однородной структурой и высокими эксплуатационными характеристиками. 
При этом повышению эффективности использования таких материалов 
в объектах новой техники в значительной мере может способствовать прогнозирование анизотропии их свойств и разработка технологических процессов, приводящих к ее снижению. 
Исследованиям в области порошковой металлургии и металлургии 
гранул были посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. Значительный вклад в теорию и практику этих процессов внесли такие ученые, как М.Ю. Бальшин, В.С. Смирнов, Г.М. Жданович, М.З. Ерманок, В.И. Добаткин, В.И. Елагин, Г.Я. Гун, П.И. Полухин, Н.В. Шепельский, В.Н. Корнилов, Ю.А. Горбунов, В.Л. Колмогоров, Ю.Н. Логинов, 
В.М. Федров и др. 
В данной работе рассмотрены процессы формирования анизотропии 
прочностных свойств и приведена методика ее прогнозирования в прессованных полуфабрикатах. Показаны температурно-скоростные режимы 
проявления повышенной пластичности прессованных полуфабрикатов 
при различных механических схемах испытания для оптимизации технологического процесса компактирования гранул. Описаны схемы формообразования штампованных поковок, реализующие повышенные сдвиговые деформации гранулированного материала в состоянии сверхпластичности. 
На основе результатов исследований формообразования поковок 
сложной конфигурации при штамповке в режиме повышенной пластичности, приведенных в монографии, был разработан и внедрен в производство 

технологический процесс изготовления качественных штампованных поковок из гранул алюминиевых сплавов. 
Авторы выражают благодарность за помощь, оказанную в работе над 
книгой в процессе ее подготовки к печати, доктору технических наук, 
профессору С.Б. Сидельникову. 
 
 
 

 
 

1.  УСЛОВИЯ  ПОЛУЧЕНИЯ  КАЧЕСТВЕННЫХ  
ПОЛУФАБРИКАТОВ  ИЗ  ГРАНУЛ   
АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
Существующая технология переработки гранул алюминиевых сплавов обычно предусматривает следующие операции: брикетирование гранул и прессование полученных брикетов в заготовки с последующей их 
прокаткой или штамповкой в изделия необходимого типоразмера. Во всех 
случаях формирование конечного полуфабриката из гранул проходит через 
стадию их брикетирования. При этом дискретность среды и ее структурное 
состояние оказывают большое влияние на температурно-скоростные параметры компактирования [1, 2]. 
 
 
1.1. Формирование компактного материала  
из гранул алюминиевых сплавов 
 
Основная задача брикетирования – получение прочного брикета, позволяющего производить его механообработку и транспортировку без разрушения, что определяется прочностью схватывания, которая в свою очередь неразрывно связана с механикой уплотнения гранул и с силовыми параметрами брикетирования. 
Гранулы как разновидность металлической сыпучей среды родственны металлическим порошкам, процесс уплотнения которых изучен достаточно глубоко. Поэтому для понимания механики уплотнения гранул 
алюминиевых сплавов кратко рассмотрим основные закономерности уплотнения металлических порошков. 
При приложении внешних сил к сыпучей среде, под которой понимается конгломерат дискретных соприкасающихся зерен [3, 4], изменяются ее 
первоначальные объем и форма. В работе [5] объемная деформация сыпучей металлической среды в процессе ее уплотнения рассматривается как 
совокупность двух компонент деформации: пластической и структурной. 
Структурная деформация обусловлена или недостаточностью числа связей 
между частицами, или разрушением имеющихся связей и проявляется как 
перемещение частиц относительно друг друга. Под пластической компонентой деформации понимается собственно деформация сыпучей среды. 
Соотношение между этими компонентами зависит от материала частиц, их 
формы, а также от степени уплотнения сыпучей среды. 
Двойственная природа объемной деформации металлических сыпучих сред находит свое отражение в механизмах уплотнения, предлагаемых 

рядом авторов [3, 5–8]. Так, в работе [3] отмечается, что уплотнение сопровождается не только ростом относительной контактной площади частиц сыпучей металлической среды, но и проскальзыванием частиц. Такой 
процесс продолжается до определенного значения относительной плотности, при котором наступает фиксация контактов частиц. 
В работе [5] механизм уплотнения рассматривается как переход частиц в более устойчивую конфигурацию либо за счет потери их устойчивости в ранее существовавшей формации, либо за счет разрушения связей 
между частицами этой формации. 
Авторами [6, 7] отмечается, что в механизме уплотнения сыпучей 
металлической среды можно выделить два момента: во-первых, сближение 
частиц в результате разрушения прежде существовавшей формации; вовторых, сжатие вновь образованной формации и ее пластическая деформация. То есть процесс уплотнения сыпучей металлической среды протекает 
последовательными актами пластической деформации и проскальзыванием составляющих ее частиц. В соответствии с подобным механизмом уплотнения находятся экспериментальные данные работы [8]. 
В ряде работ [3, 9–12] уплотнение рассматривается в несколько стадий с различным на каждой стадии соотношением между структурной 
и пластической компонентами объемной деформации. Так, в работе [3] 
процесс уплотнения предлагается рассматривать в три стадии. На первой 
стадии уплотнение происходит за счет лучшей укладки частиц в результате проскальзывания. На второй – за счет деформации приконтактных объемов частиц. На третьей – за счет пластической деформации, охватывающей значительную часть объема частиц при полной фиксации их контактов. Относительная плотность, соответствующая началу третьей стадии, 
составляет 0,85–0,92. Трехстадийный процесс уплотнения рассматривается 
также в работах [10, 11]. 
Авторами работы [12] на основании анализа априорной схемы сыпучей среды было предложено считать, что начало уплотнения за счет пластической деформации элементов сыпучей среды наступает по достижении 
насыпной массой исходного устойчивого состояния, которое соответствует 
плотности утряски. 
Следует отметить, что данные авторов [9–12] о соотношении структурной и пластической компонент деформации носят скорее качественный, 
чем количественный характер. В работе [13] была предпринята попытка по 
результатам изменения плотности дислокаций количественно оценить соотношение между структурной и пластической компонентами деформации 
для сыпучей металлической среды. Недостатком данного метода является 
сложность определения плотности дислокаций. 
Таким образом, характерной особенностью уплотнения сыпучих 
металлических сред, отмечаемой всеми авторами, является затухание 

структурной компоненты и развитие пластической с ростом плотности 
брикета. 
Основной задачей теории уплотнения сыпучих металлических материалов является определение количественной связи между давлением уплотнения и текущей плотностью брикета. 
В настоящее время известно два основных направления теоретического исследования процесса уплотнения сыпучей металлической массы 
под действием внешнего давления. Первое направление основано на использовании гипотезы сплошности. Оно характеризуется введением ряда 
упрощающих допущений, позволяющих получать простые уравнения, связывающие давление уплотнения с текущей плотностью брикета. 
В основу второго направления положено изучение контактного 
взаимодействия частиц уплотняемого материала. Оно отличается более 
строгим подходом к физике процесса уплотнения и, как правило, приводит 
к достаточно сложным уравнениям, которые далеко не всегда могут быть 
использованы в инженерной практике. 
Это направление базируется на контактной теории частиц, основы 
которой, применительно к уплотнению металлических порошков, были заложены М.Ю. Бальшиным [3]. В результате анализа контактного взаимодействия частиц уплотняемого порошка им было получено уравнение 
 

 
max
1
lg
lg
,
P
P
L⎛
⎞
− γ
=
−
⎜
⎟
γ
⎝
⎠
 
(1.1) 

 
где L – фактор прессования, сохраняющий постоянное значение во всем интервале изменения плотности брикета; 
max
P
 – экстраполированное (максимальное) давление прессования при относительной плотности брикета γ = 1,0.  
В работе [14] при изучении контактного взаимодействия частиц сыпучей среды заложены основы дискретно-контактной теории уплотнения. 
Предложенный автором [14] деформационный механизм уплотнения учитывает влияние упругой, пластической и структурной компонент деформации. Зависимость давления прессования от относительной плотности 
брикета с учетом затрат на внешнее трение о стенки контейнера предложена в виде 

 
(
)
(
)

0
к
0
1
0,5
,
1

n
n

n
n
P
P
c
β −β
=
+

β
β −
 
(1.2)  

 
где 
0
n
β  и 
n
β  – соответственно исходная и текущая относительная плотность брикета; c  и n – константы. 
Следует отметить, что при выводе уравнения (1.2) использовались 
также основные положения гипотезы сплошности. 

К направлению, основанному на гипотезе сплошности, можно отнести теоретические разработки авторов [15–30]. Так, в работах [15–18] сыпучая среда рассматривается как сплошное тело с вкраплениями пор, 
а процесс уплотнения – как пластическое течение металла брикета в эти 
поры. Подобный подход позволил авторам [15] получить уравнение вида 
 

 

0,2
2
1
ln
.
3
1
σ =
σ
− γ  
(1.3) 

 
Аналогичного вида уравнения приведены в работах [16–18]. 
Авторами [19, 20] при выводе основного уравнения уплотнения по 
экспериментальным данным находилась первообразная функция, интегрированием которой определялась зависимость «давление уплотнения – 
плотность брикета». Уравнение, выведенное Г.М. Ждановичем, имеет вид 
 

 

0
ист
0
,
1

m
m

m
P
P
γ
− γ
=

− γ
 
(1.4) 

 
где 
ист
P
 – давление истечения максимально-упрочненного материала; m  – 
константа. 
В работах [21–24] для определения зависимости между плотностью 
брикета и давлением уплотнения использовался метод линий скольжения. 
Так как этот метод применим для плоскодеформированного состояния, то 
первоначально рассматривалась «плоская» модель сыпучей среды в виде 
бесконечно длинных цилиндров, уложенных параллельными рядами. Полученная с помощью линий скольжения эпюра напряжений аппроксимировалась уравнением, которое в дальнейшем использовалось для вывода 
уравнения уплотнения. Подобный подход позволил автору [21] вывести 
уравнение 
 

 

0,2
1
2
lg
0,36
1
0,48 .
1
P
⎛
⎞
= σ
+
β − −
⎜
⎟
β −
⎝
⎠
 
(1.5) 

 
Уравнения аналогичного вида приведены в работах [22–24]. 
В последнее время для решения задач уплотнения сыпучей металлической среды рядом авторов широко используется математический аппарат 
теории пластичности с учетом условия неразрывности [25–30]. 
В работах [6, 31–34] на основании физической адекватности между 
процессами, происходящими при уплотнении порошковых металлических 
материалов, и условием предельного напряженного состояния используется математический аппарат теории предельного состояния. В основу развиваемого направления положена получаемая из эксперимента зависимость 

между нормальными и касательными напряжениями на площадке сдвига 
в сыпучем материале, которая хорошо описывается законом Кулона, 
 

 
tg
,
n
n
K
τ = σ
θ +
 
(1.6) 

 
где 
n
τ  и 
n
σ  – касательные и нормальные напряжения на площадке; θ – 
угол внутреннего трения; K  – коэффициент сцепления. 
На основании анализа уплотняемости металлических порошков авторы [31–34] делают вывод, что пористость брикета зависит не только от 
усилия прессования, но и от условий деформирования, в частности, от величины сдвиговых деформаций. В работах [35, 36] также показано, что уплотнение сыпучего металлического материала протекает более интенсивно 
при наложении сдвиговой деформации. 
Получение полуфабрикатов из гранулированных сплавов основано 
на схватывании гранул при их совместной пластической деформации. 
Схватывание относится к тем явлениям, которые давно известны обработчикам металлов, но в силу сложности и многообразия факторов, влияющих 
на этот процесс, теоретическое представление о нем еще не носит фундаментального характера. До настоящего времени нет единой точки зрения 
на механизм образования металлических связей, что объясняет наличие 
ряда гипотез [37–42], по-своему трактующих это явление. 
Современное представление о процессах, происходящих при сварке 
металлов в твердой фазе, опирается на изучение явлений, протекающих при 
изменении реологических свойств контактирующих поверхностей, изменения диссипации энергии, массообмена между контактирующими телами 
и средой, изменения структуры и физико-механических свойств поверхностных слоев вследствие адгезионно-деформационных явлений, проявляющихся в условиях общего напряженно-деформированного состояния системы и условиях развитой сдвиговой деформации на контакте в частности. 
В настоящее время в науке о схватывании проявляется вполне определенная тенденция изучения этого явления на атомно-молекулярном 
уровне. 
В работах М.Х. Шоршорова с сотрудниками [42–45] на основе термомеханических представлений показано, что процесс схватывания идет 
на активных центрах, которыми являются в первый момент участки поля 
упругих напряжений. Воздействие полей напряжений и дальнейшее развитие пластической деформации вызывают резкое увеличение плотности 
дислокаций в локальных объемах и их выход на свободную поверхность 
раздела. Все это приводит к образованию активных центров с последующей трансляцией связей между ними. По мере образования адгезионной 
связи в микроскопических объемах начинается пластическая деформация 
соединенных кристаллов. Процесс сцепления кристаллов по всей площади