On the basis of experimental studies of cold extrusion of green billets from vanadium-bearing iron powder composites, the effect of cohesion (shear strength) on the hazard of rod fracture during extrusion is shown.
The process of extrusion of an incompact material is mathematically modeled. It is shown that, for large die cone angles, it is preferable to use a rigid block design to determine the extrusion force, which implies the use of conditions on the surfaces of strong discontinuities in a plastically compressible medium.
A software package for modeling the extrusion and drawing of powder composites has been developed.1. Wimbert L., Arnhold V. Powder metallurgy in Germany. International Journal of Powder Metallurgy, 2014, no. 2, pp. 67–70.
2. Gundermann Philippe. Overview of the status and trends in the European PM Industry. EURO PM 2015 REIMS. Available at: http://www.europm2015.com/post-event/plenary-presentations/103-the-european-pm-industry-current-status-and-roadmapping-the-future/file.
3. Libenson G.A., Lopatin V.Yu., Komarnitskii G.V. Protsessy poroshkovoi metallurgii. V dvukh tomakh. T. 2. Formovanie i spekanie: Ucheb. dlya vuzov [Processes of Powder Metallurgy, 2 vols. Vol. 2. Formation and Sintering: Textbook for Higher Schools]. Moscow, MISiS Publ., 2002. (In Russian).
4. Antsiferov V.N., Perel’man V.E. Mekhanika protsessov pressovaniya poroshkovykh i kompozitsionnykh materialov [Mechanics of Pressing Processes of Powder and Composite Materials]. Moscow Graal’ Publ., 2001, pp. 175–202. (In Russian).
5. Hung-Kuk Oh, Jeong-Keun Lee. A study of the extrusion of sintered porous metal. J. Mech. Technol., 1985, vol. 11, no. 1, pp. 53–69. DOI: 10.1016/0378-3804(85)90112-3.
6. Zalazinskii A.G. Plasticheskoe deformirovanie strukturno-neodnorodnykh materialov [Plastic Deformation of Structurally Nonuniform Materials]. Yekaterinburg, UrO RAN, 2000. (In Russian).
7. Shestakov N.A., Subich V.N., Demin V.A. Uplotnenie, konsolidatsiya i razrushenie poristykh materialov [Compaction, Consolidation and Destruction of Porous Materials]. Moscow, Fizmatlit, 2011. (In Russian).
8. Tae-Wan Ku, Beom-Soo Kang. Tool Design and Experimental Verification for Multi-Stage Cold Forging Process of the Outer Race. Int. J. Precis. Eng. Manuf., 2014, vol. 15, no. 9, pp. 1995–2004. DOI: 10.1007/s12541-014-0556-x.
9. Lee M.C., Chung S.H., Jang S.M., Joun M.S. Three-Dimensional Simulation of Forging using Tetrahedral and Hexahedral Elements. Finite Elements in Analysis and Design, 2009, vol. 45, no. 11, pp. 745–754. DOI: 10.1007/s12206-013-0959-0.
10. Kim J.B., Seo W.S., Park K. Damage Prediction in the Multistep Forging Process of Subminiature Screws. Int. J. Precis. Eng. Manuf., 2012, vol. 13, no. 9, pp. 1619–1624. DOI: 10.1007/s12541-012-0212-2.
11. Jeong M.S., Lee S.K., Sung J.H., Kim K.E., Lee S., Lee K.W., Choi T.H. Green Alternative Processing Technology for a Spring Guide Pin of Stamping Die Set. Int. J. Precis. Eng. Manuf., 2012, vol. 13, no. 7, pp. 1239–1242. DOI: 10.1007/s12541-012-0164-6.
12. Plancak M., Brameley A., Osman F. Non-conventional cold extrusion. Journal of Materials Processing Technology, 1992, vol. 34, p. 465–472. DOI: 10.1007/s12289-009-0571-0.
13. Galanty M., Kazanowski P., Kansuwan P., Misiolek W. Consolidation of metal powders during the extrusion process. Journal of Materials Processing Technology, 2002, vol. 125–126, no. 9, pp. 491–496. DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00327-8.
14. Aliev I.S. New technological processes of cold extrusion of geometrically complex parts. Fizika i Tekhnika Vysokikh Davleniy, 2000, vol. 10, no. 4, pp. 62–67. (In Russian).
15. Radomyselskii I.D., Serdyuk G.G., Shcherban’ N.I. Konstruktsionnye poroshkovye materialy [Structural Powder Materials]. Kiev, Tekhnika Publ., 1985, p. 152. (In Russian).
16. Cahal McVeigh, Wing Kam Liu. Prediction of Central Bursting during Axisymmetric Cold Extrusion of a Metal Alloy containing Particles. International Journal of Solids and Structures, 2006, vol. 43, no. 10, pp. 3087–3105. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.05.019.
17. Domanti A.T.J., Horrobin D.J., Bridgwater J. An investigation of fracture criteria for predicting surface fracture in paste extrusion. Int. J. Mech. Sci., 2002, vol. 44, pp. 1381–1410. DOI: 10.1007/s00419-013-0779-9.
18. Yanran Z., Wang Z.R., Weimin C. Numerical solutions for extrusion and ironing and die-angle optimization. Journal of Materials Processing Technology, 1995, vol. 55, pp. 48–52. DOI: 10.1016/0924-0136(95)01811-5.
19. Cho H.Y., Min G.S., Jo C.Y., Kim M.H. Process design of the cold forging of a billet by forward and backward extrusion. J. Mater. Process. Technol., 2003, vol. 81, pp. 375–381. DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00870-1.
20. Tiernan P., Hillery M.T., Graganescu B., Gheorghe M. Modelling of cold extrusion with experimental verification. J. Mater. Process. Technol., 2005, vol. 168, pp. 360–366. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.249.
21. Da Silva G.C., Carneiro J.R.G., França A.B.C., Pulecio S.A.R. Experimental and numerical simulation of the backward extrusion process for annealed steel aisi 1010. Mecânica Experimental, 2013, vol. 22, pp. 15–22.
22. Horrobin D.J. Theoretical Aspects of Paste Extrusion. Ph. D. Dissertation, University of Cambridge, Cambridge UK, 1999, 259 p.
23. Lin H.S., Hsu Y.C., Keh C.C. Inhomogeneous deformation and residual stress in skin-pass axisymmetric drawing. J. Mater. Process. Technol., 2008, vol. 201, pp. 128–132. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.126.
24. Chih-Cheng Yang, Xuan-Yu Lin. The Forming Analysis of Two-stage Extrusion for 1010 Fastener. Journal of Mechanical Engineering and Automation, 2016, vol. 6, no. 3, pp. 43–50. DOI: 10.5923/j.jmea.20160603.01.
25. Fengxian Li, Jianhong Yi, Juёrgen Eckert. Optimization of the Hot Forging Processing Parameters for Powder Metallurgy Fe-Cu-C Connecting Rods Based on Finite Element Simulation. Metallurgical and Materials Transactions A, 2017, vol. 48, iss. 12, pp. 6027–6037. DOI: 10.1007/s11661-017-4372-7.
26. Giuliano G. Process design of the cold extrusion of a billet using finite element method. Materials & Design, 2007, vol. 26, pp. 726–729. DOI: 10.1016/j.matdes.2005.07.020.
27. Polyakov A.P. On the scheme of rigid blocks in the problem of porous blank extrusion. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Tsvetn. Metall., 2004, no. 5, pp. 27–34. (In Russian).
28. Sadollah A., Bahreininejad A. Optimization of die design using metaheuristic methods in cold forward extrusion process. Neural Computing and Applications, 2012, vol. 21, iss. 8, pp. 2071–2076. DOI: 10.1007/s00521-011-0630-6.
29. Polyakov P.A., Kolmykov V.L., Dolmatov A.V., Mushnikov A.N., Polyakov A.P. Solidity of unsintering briquettes from iron-based. KShP. OMD, 2017, no. 1, pp. 40–45. (In Russian).
30. Modeling of Powder Die Compaction, Brewin P.R., Coube O., Doremus P., Tweed J.H., eds., Springer, 2008, 329 p.
31. Shang C., Sinka I.C., Pan J. Constitutive Model Calibration for Powder Compaction Using Instrumented Die Testing. Experimental Mechanics, 2012, vol. 52, pp. 903–916. DOI: 10.1007/s11340-011-9542-8.
32. Polyakov P.A., Zalazinskiy A.G., Polyakov A.P. Extrusion process analyses of vanadium-bearing iron powder. KShP. OMD, 2014, no. 12, pp. 10–14. (In Russian).
33. Korobova N.V. Scientific substantiation and implementation of technological solutions for the production of high-density billets by press forming from metal powders. Doctoral Thes. Abstract, Moscow, 2009, 30 p. (In Russian).
34. Zhdanovich G.M. Theory of Compaction of Metal Powders, transl. Teoriya Pressovaniya Metallicheskikh Poroshkov [Theory of Metal Powder Pressing, 1969, pp. 1–262]. Foreign Technology Division, Wright-Patterson Air Force Base, OH, 1971.
35. Druyanov B.A. Prikladnaya teoriya plastichnosti poristykh tel [Applied Theory of Plas-ticity of Porous Bodies]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989, 168 p. (In Russian).
36. Polyakov A.P. On model of porous material taking geometry of pores into account. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Tsvetn. Metall., 2005, no. 4, pp. 35-40. (In Russian).
37. Grigoriev S.N., Krasnovskii A.N. Study of the Triboengineering Characteristics of Ultradispersed Composite Powder Materials. Journal of Friction and Wear, 2011, vol. 32, no. 3, pp. 164–166. DOI: 10.3103/S1068366611030056.
38. Rabotnov Yu.N. Mekhanika deformiruemogo tverdogo tela [Mechanics of Deformable Solids]. Nauka, Moscow, 1979. (In Russian).
39. Zalazinskii A.G., Polyakov A.P., Polyakov P.A. A System Simulation of a Production Complex for Fabrication of Composites for Electrotechnology. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2009, vol. 50, no. 3, pp. 255–261. DOI: 10.3103/s1067821209030134.
40. Polyakov P.A., Zalazinskii A.G. Programmnyi kompleks dlya modelirovaniya protsessov vydavlivaniya i volocheniya poroshkovykh kompozitov [A Software Package Designed to Model Extrusion and Drawing of Powder Composites].
RF Certificate of Program Registration, no. 2016660263, 2016. (In Russian).
На основе экспериментальных исследований процесса холодного выдавливания неспеченных заготовок из композитов на основе ванадийсодержащего порошка железа показано влияние величины сопротивления срезу материала на возможность разрушения прутка при выдавливании. Осуществлено математическое моделирование процесса выдавливания некомпактного материала. Показано, что при больших углах конусности матрицы для определения усилия выдавливания предпочтительно использование схемы жестких блоков, предполагающей использование условий на поверхностях сильных разрывов в пластически сжимаемой среде. Разработан программный комплекс для моделирования процессов выдавливания и волочения порошковых композитов.
1. Wimbert Lars, Arnhold Volker. Powder metallurgy in Germany // International journal of Powder metallurgy. – 2014. – No. 2. – P. 67–70.
2. Gundermann Philippe. Overview of the status and trends in the European PM Industry. – URL: http://www.europm2015.com/post-event/plenary-presentations/103-the-european-pm-industry-current-status-and-roadmapping-the-future/file
3. Либенсон Г. А., Лопатин В. Ю., Комарницкий Г. В. Процессы порошковой металлургии : в 2-х т. : учебник для вузов. Т. 2 : Формование и спекание. – М. : МИСИС, 2002. – 320 с.
4. Анциферов В. Н., Перельман В. Е. Механика процессов прессования пористых и композиционных материалов. – М. : Наука, 2001. – 631 с.
5. Hung-Kuk Oh, Jeong-Keun Lee. A study of the extrusion of sintered porous metal // J. Mech. Technol. – 1985. – Vol. 11, no. 1. – P. 53–69. – DOI: 10.1016/0378-3804(85)90112-3.
6. Залазинский А. Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. – Екатеринбург : УрО РАН, 2000. – 492 с.
7. Шестаков Н. А., Субич В. Н., Демин В. А. Уплотнение, консолидация и разрушение пористых материалов. – М. : Физматлит, 2009. – 269 с.
8. Tae-Wan Ku, Beom-Soo Kang. Tool Design and Experimental Verification for Multi-Stage Cold Forging Process of the Outer Race // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2014. – Vol. 15, no. 9. – P. 1995–2004. – DOI: 10.1007/s12541-014-0556-x.
9. Three-Dimensional Simulation of Forging using Tetrahedral and Hexahedral Elements / M. C. Lee, S. H. Chung, S. M. Jang, M. S. Joun // Finite Elements in Analysis and Design. – 2009. - Vol. 45, no. 11. – P. 745–754. – DOI: 10.1007/s12206-013-0959-0.
10. Kim J. B., Seo W. S., Park K. Damage Prediction in the Multistep Forging Process of Subminiature Screws // Int. J. Precis. Eng. Manuf. – 2012. – Vol. 13, no. 9. – P. 1619–1624. – DOI: 10.1007/s12541-012-0212-2.
11. Green Alternative Processing Technology for a Spring Guide Pin of Stamping Die Set / M. S. Jeong, S. K. Lee, J. H. Sung, K. E. Kim, S. Lee, K. W. Lee, T. H. Choi // Int. J. Precis. Eng. Manuf. – 2012. – Vol. 13, no. 7. – P. 1239–1242. – DOI: 10.1007/s12541-012-0164-6.
12. Plancak M., Brameley A., Osman F. Non-conventional cold extrusion // J. Mater. Process. Technol. – 1992. – Vol. 34. – P. 465–472. – DOI: 10.1007/s12289-009-0571-0.
13. Consolidation of metal powders during the extrusion process Galanty M., Kazanowski P., Kansuwan P., Misiolek W. // Journal of Materials Processing Technology. – 2002. – Vol. 125–126. – No. 9. – P. 491–496. – DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00327-8.
14. Алиев И. С. Новые технологические процессы холодного выдавливания сложнопрофильных деталей // Физика и техника высоких давлений. – 2000. – Т. 10, № 4. – С. 62–67.
15. Радомысельский И. Д., Сердюк Г. Г., Щербань Н. И. Конструкционные порошковые материалы. – Киев : Техника, 1985. – 152 с.
16. Cahal McVeigh, Wing Kam Liu. Prediction of Central Bursting during Axisymmetric Cold Extrusion of a Metal Alloy containing Particles // International Journal of Solids and Structures. – 2006. – Vol. 43, no. 10. – P. 3087–3105. – DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2005.05.019.
17. Domanti A. T. J., Horrobin D. J., Bridgwater J. An investigation of fracture criteria for predicting surface fracture in paste extrusion // Int. J. Mech. Sci. – 2002. – Vol. 44. – P. 1381–1410. – DOI: 10.1007/s00419-013-0779-9.
18. Yanran Z., Wang Z. R., Weimin C. Numerical solutions for extrusion and ironing and die-angle optimization // Journal of Materials Processing Technology. – 1995. – Vol. 55. – P. 48–52. – DOI: 10.1016/0924-0136(95)01811-5.
19. Process design of the cold forging of a billet by forward and backward extrusion / H. Y. Cho, G. S. Min, C. Y. Jo, M. H. Kim // J. Mater. Process. Technol. – 2003. – Vol. 81. – P. 375–381. – DOI: 10.1016/S0924-0136(02)00870-1.
20. Modelling of cold extrusion with experimental verification / P. Tiernan, M. T. Hillery, B. Graganescu, M. Gheorghe // J. Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 168. – P. 360–366. – DOI:10.1016/j.jmatprotec.2005.02.249.
21. Experimental and numerical simulation of the backward extrusion process for annealed steel aisi 1010 / G. C. Da Silva, J. R. G. Carneiro, A. B. C. França, S. A. R. –// Mecânica Experimental. – 2013. – Vol. 22. – P. 15–22.
22. Horrobin D. J. Theoretical Aspects of Paste Extrusion : Ph. D. Dissertation. – Cambridge, UK, 1999. – 259 p.
23. Lin H. S., Hsu Y. C., Keh C. C. Inhomogeneous deformation and residual stress in skin-pass axisymmetric drawing // J. Mater. Process. Technol. – 2008. – Vol. 201. – P. 128–132. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.126.
24. Yang Chih-Cheng, Lin Xuan-Yu. The Forming Analysis of Two-stage Extrusion for 1010 Fastener // Journal of Mechanical Engineering and Automation. – 2016. – Vol. 6, no. 3. – P. 43–50.
25. Fengxian Li, Jianhong Yi, Juёrgen Eckert. Optimization of the Hot Forging Processing Parameters for Powder Metallurgy Fe-Cu-C Connecting Rods Based on Finite Element Simulation // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2017. – Vol. 48, iss. 12. – P. 6027–6037. – DOI: 10.1007/s11661-017-4372-7.
26. Giuliano G. Process design of the cold extrusion of a billet using finite element method // Materials & Design 2007. – Vol. 26. – P. 726–729. – DOI: 10.1016/j.matdes.2005.07.020.
27. Поляков А. П. О схеме жестких блоков в задаче выдавливания пористой заготовки // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. – 2004. – № 5. – C. 27–34.
28. Sadollah A., Bahreininejad A. Optimization of die design using metaheuristic methods in cold forward extrusion process // Neural Computing and Applications. – 2012. – Vol. 21, iss. 8. – P. 2071–2076. – DOI: 10.1007/s00521-011-0630-6.
29. Прочность неспеченных брикетов из порошковых композитов на основе железа / П. А. Поляков, В. Л. Колмыков, А. В. Долматов, А. Н. Мушников, А. П. Поляков // КШП ОМД. – 2017. – № 1. – с. 40–45.
30. Modeling of Powder Die Compaction / ed. by P. R. Brewin, O. Coube, P. Doremus, J. H. Tweed. – Springer, 2008. – 329 p.
31. Shang C., Sinka I. C., Pan J. Constitutive Model Calibration for Powder Compaction Using Instrumented Die Testing // Experimental Mechanics. – 2012. – Vol. 52. – P. 903–916. – DOI: 10.1007/s11340-011-9542-8.
32. Поляков П. А., Залазинский А. Г., Поляков А. П. Исследование процесса выдавливания заготовок из ванадийсодержащего порошка железа // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. – 2014. – № 12. – С. 10–14.
33. Коробова Н. В. Научное обоснование и реализация технологических решений для производства высокоплотных заготовок из металлических порошков обработкой давлением на прессах : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.03.05. – М., 2009. – 30 с.
34. Жданович Г. М. Теория прессования металлических порошков. – М. : Металлургия, 1969. – 264 с.
35. Друянов Б. А. Прикладная теория пластичности пористых тел. – М. : Машиностроение, 1989. – 168 с.
36. Поляков А. П. О модели пористого материала, учитывающей геометрию пор // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. – 2005. – № 4.– С. 35–40.
37. Григорьев С. Н., Красновский А. Н. Исследование триботехнических характеристик ультрадисперсных композиционных порошковых материалов // Трение и износ. – 2011. – Т. 32, № 3. – С. 229–232.
38. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. – М. : Наука, 1989. – 712 с.
39. Залазинский А. Г., Поляков А. П., Поляков П. А. Системное моделирование технологического комплекса изготовления композитов электротехнического назначения // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия. – 2009. – № 3. – С. 64–70.
40. Программный комплекс для моделирования процессов выдавливания и волочения порошковых композитов : свид. 2016660263 Рос. Федерация / Поляков П. А., Залазинский А. Г., Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук. – № 2016617645 ; заявл. 12.07.2016 ; опубл. 20.10.2016, Бюл. № 10. – 1 с.
