cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ "МИСИС"10.17073/0021-3438-2022-5-26-35cvmet-1412Research ArticleОбработка металлов давлениемPressure Treatment of MetalsДеформирующие устройства с силоприводом из материала с эффектом памяти формы Конструкторские решения, порядок расчета и проектированияDeforming devices with a power drive made of a shape memory material Design solutions, calculation and design procedureАлехинаВ. К.AlekhinaV. K.

Алехина В.К. – мл. науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Прогрессивные технологические процессы пластического деформирования»

443086, г. Самара, Московское ш., 34

Alеkhina V.K. – research assistant of the Laboratory «Progressive technological processes of plastic deformation»

443086, Samara, Moskovskoe shosse, 34

valysha_alehina@mail.ruГлущенковВ. А.GlushchenkovV. A.

Глущенков В.А. – вед. науч. сотр. науч.-иссл. лаборатории «Прогрессивные технологические процессы пластическогодеформирования»

443086, г. Самара, Московское ш., 34

Glushchenkov V.A. – leading researcher of the Laboratory «Progressive technological processes of plastic deformation»

443086, Samara, Moskovskoe shosse, 34

vgl@ssau.ruГречниковФ. В.GrechnikovF. V.

Гречников Ф.В. – акад. РАН, докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой обработки металлов давлением

443086, г. Самара, Московское ш., 34

Grechnikov F.V. – acad. of the Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Eng.), prof., head of the Department «Pressure treatmentof metals»

443086, Samara, Moskovskoe shosse, 34

gretch@ssau.ruСамарский национальный исследовательский университет им. акад. С.П. КоролеваРоссияSamara National Research University n.a. acad. S.P. KorolevRussian Federation202219102022052635Copyright © Алехина В.К., Глущенков В.А., Гречников Ф.В., 20222022Алехина В.К., Глущенков В.А., Гречников Ф.В.Alekhina V.K., Glushchenkov V.A., Grechnikov F.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1412

Представлены технические решения по созданию деформирующих устройств с силоприводом из материала с эффектом памяти формы. В качестве примера рассмотрены конструкции пресса, пресс-штампа, в которых использованы новые конструкции многозвенных силоприводов. Предложена методика проектирования универсального многозвенного силопривода, силовые элементы которого выполнены из термически тонкого материала с эффектом памяти формы. Приведен анализ тепловых процессов в силовых элементах различных форм, геометрических размеров и для разных методов их нагрева (пропусканием тока, конвективный и лучистый теплообмен) и охлаждения, позволяющий определить эффективность создаваемых устройств. Исследованы технологические и эксплуатационные свойства термически тонких силовых элементов многозвенного силопривода. Для определения качественных и количественных их показателей создан измерительный стенд, позволяющий в едином временном масштабе фиксировать силу тока, изменение температуры и перемещения, развиваемые усилия. Установлена взаимосвязь скорости нагрева со скоростью развития рабочих усилий и значением возвратного усилия деформирования, определяющими производительность деформирующих устройств. На основании выполненных расчетов создана линейка универсальных силоприводов с развиваемым усилием деформирования 500–10000 Н и перемещением 1,0–8,0 мм, приведены результаты их испытания и использования в действующих моделях деформирующих устройств.

The article presents engineering solutions developed to create deforming devices with a power drive made of a shape memory material. As an example, the paper considers designs of a press, a stamp press made using new designs of multi-link power drives. A method is proposed for engineering a universal multi-link power drive with power elements made of a thermally thin shape memory material. The paper provides the analysis of thermal processes in power elements of various shapes, geometric dimensions and using different methods of their heating (current transmission heating, convective and radiant heat exchange) to determine the efficiency of the engineered devices. Processing and operational properties of thermally thin power elements of a multi-link power drive are investigated. To determine their qualitative and quantitative indicators, a measuring bench was created with such functions as recording the amperage, temperature change, displacement, and developed forces on a single time scale. A relationship between the heating rate, rate of operating force development and return deformation force was found. A line of universal power drives with a developed deformation force of 500–10000 N and a displacement of 1.0–8.0 mm was created based on the calculations performed with the results of their testing and use in existing models of deforming devices presented.

сплавы с памятью формыдеформирующие и испытательные устройствапресс-штамппрессизмерительный стендмногозвенные силовые элементыметоды нагреваи охлажденияметодика расчета параметровshape memory alloysdeforming and testing devicesstamp presspressmeasuring benchmulti-link power elementsheating and cooling methodsmethod for calculating parametersReferencesПопов Е.А. Основы теории листовой штамповки. М.: Машиностроение, 1977. 283 C.Popov E.A. Fundamentals of the theory of sheet stamping. Moscow: Mashinostroenie, 1977 (In Russ.).Романовский В.П. Справочник по холодной штам-повке. Л.: Машиностроение, 1979.Romanovsky V.P. Handbook of cold stamping. Leningrad: Mashinostroenie, 1979 (In Russ.).Banabic D. Sheet metal forming processes. Constitutive modelling and numerical simulation. Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 2010.Banabic D. Sheet metal forming processes. Constitutive modelling and numerical simulation. Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 2010.Дурандин М.М., Рымзин Н.П., Шихов Н.А. Штампы для холодной штамповки мелких деталей. Альбом конструкций и схем. М.: Машиностроение, 1978.Durandin M.M., Rymzin N.P., Shikhov N.A. Stamps for cold stamping of small parts. Album of designs and diagrams. Moscow: Mashinostroenie, 1978 (In Russ.).Булдакова Т.А., Войтенко Ю.В., Лихачев В.А., Разов A.M. Термомеханические циклы мартенситных преобразователей энергии. Инж.-физ. журн. 1990. Т. 59. No. 2. С. 269—277.Buldakova T.A., Voitenko Yu.V., Likhachev V.A., Razov A.M. Thermomechanical cycles of martensitic energy converters. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. 1990. Vol. 59. No. 2. P. 269—277 (In Russ.).Тихонов А.С. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981.Tikhonov A.S. Application of the shape memory effect in modern mechanical engineering. Moscow: Mashinostroenie, 1981 (In Russ.).Lambert T.R., Gurley A., Kubik K., Beale D., Broughton R. Numerical heat transfer modelling of SMA actuators and model comparison. Conf. on smart materials, adaptive structures and intelligent systems. 2017. Vol. 2. DOI: 10.1115/SMASIS2017-3725.Lambert T.R., Gurley A., Kubik K., Beale D., Broughton R. Numerical heat transfer modelling of SMA actuators and model comparison. Conf. on smart materials, adaptive structures and intelligent systems. 2017. Vol. 2. DOI: 10.1115/SMASIS2017-3725.Остропико Е.С. Исследование функциональности рабочих элементов с памятью формы: Дис. канд. физ.-мат. наук. СПб: СПбГУ, 2018.Ostropiko E.S. The study of the functionality of working elements with form memory: Dissertation of PhD. Saint-Petersburg: SPbGU, 2018 (In Russ.).Concilio A., Lecce L. Shape memory alloy engineering: For aerospace, structural and biomedical applications. Elsevier Inc., 2014. DOI: 10.1016/C2012-0-07151-7.Concilio A., Lecce L. Shape memory alloy engineering: For aerospace, structural and biomedical applications. Elsevier Inc., 2014. DOI: 10.1016/C2012-0-07151-7.Оуэн В. Эффекты запоминания формы и их применение. В сб.: Эффект памяти формы в сплавах. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979. С. 254—273.Ouen V. The effects of shape memorization and their application. In: Shape memory effect in alloys. Moscow: Metallurgiya, 1979. P. 254—273 (In Russ.).Mohd Jani J., Leary M., Subic A., Gibson M.A. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Mater. Design. 2014. Vol. 56. P. 1078—1113. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.11.084.Mohd Jani J., Leary M., Subic A., Gibson M.A. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Mater. Design. 2014. Vol. 56. P. 1078—1113. DOI: 10.1016/j.matdes.2013.11.084.Balasubramanian M., Srimath R., Vignesh L., Rajesh S. Application of shape memory alloys in engineering: A review. In: Int. conf. on advances in thermal engineering and applications (ICATEA 2021) (Tamil Nadu, 19—20 March 2021). J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 2054. P. 1—11. DOI: 10.1088/1742-6596/2054/1/012078.Balasubramanian M., Srimath R., Vignesh L., Rajesh S. Application of shape memory alloys in engineering: A review. In: Int. conf. on advances in thermal engineering and applications (ICATEA 2021) (Tamil Nadu, 19—20 March 2021). J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 2054. P. 1—11. DOI: 10.1088/1742-6596/2054/1/012078.Глущенков В.А., Феоктистов В.С. Пресс с силоприводом из сплава с памятью формы. Кузн.-штамп. пр-во. 1986. No. 4. С. 21—22.Glushchenkov V.A., Feoktistov V.S. A press with a power drive made of an alloy with shape memory. Kuznechnoshtampovochnoe proizvodstvo. 1986. No. 4. P. 21—22 (In Russ.).Ерофеев В.Л., Пряхин А.С., Семенов П.Д. Термодинамика и теория теплообмена. М.: Изд-во «Юрайт», 2020.Erofeev V.L., Pryakhin A.S., Semenov P.D. Thermodynamics and theory of heat transfer. Moscow: Izd-vo «Yurait», 2020 (In Russ.).Иванцов Г.П. Нагрев металла (теория и методы расчета). Свердловск; М.: Металлургиздат, 1948.Ivantsov G.P. Heating of metal (theory and methods of calculation). Sverdlovsk; Moscow: Metallurgizdat, 1948 (In Russ.).Егоров Ю.А., Юсупов Р.Ю., Глущенков В.А., Алехина В.К. Электротермический силовой привод: Пат. 163932 (РФ). 2015.Egorov Yu.A., Jusupov R.Yu., Glushhenkov V.A., Alekhina V.K. Electrothermal power drive: Pat. 163932 (RF). 2015 (In Russ.).Алехина В.К., Бикбаев Р.М., Глущенков В.А., Гречников Ф.В. Использование материалов с памятью формы в технических устройствах. Вестн. машиностроения. 2019. No. 9. С. 63—65.Alekhina V.K., Bikbaev R.M., Glushchenkov V.A., Grechnikov F.V. Applications of shape memory. Russ. Eng. Res. 2019. Vol. 39. P. 1043—1045.Novak V., Sittner P., Dayananda G.N., Braz-Fernandes F.M., Mahesh K.K. Electric resistance variation of NiTi shape memory alloy wires in thermomechanical tests. Experiments and simulation. Mater. Sci. Eng. 2008. Vol. 481—482. P. 127—133. DOI: 10.1016/j.msea.2007.02.162.Novak V., Sittner P., Dayananda G.N., Braz-Fernandes F.M., Mahesh K.K. Electric resistance variation of NiTi shape memory alloy wires in thermomechanical tests. Experiments and simulation. Mater. Sci. Eng. 2008. Vol. 481—482. P. 127—133. DOI: 10.1016/j.msea.2007.02.162.Christ D., Reese S. A finite element model for shape memory alloys considering thermomechanical couplings at large strains. Int. J. Solids Struct. 2009. Vol. 46 (20). P. 3694—3709. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2009.06.017.Christ D., Reese S. A finite element model for shape memory alloys considering thermomechanical couplings at large strains. Int. J. Solids Struct. 2009. Vol. 46 (20). P. 3694—3709. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2009.06.017.Шкловец А.О., Мелентьев В.С. Работа в CAE-пакете Ansys Mechanical: конструкционный анализ методом конечных элементов. Учеб. пос. Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2018.Shklovets A.O., Melent’yev V.S. Work in the Ansys Mechanical CAE package: structural analysis by the finite element method. Samara: Izd-vo Samarskogo universiteta, 2018 (In Russ.).Shklovets A.O., Melent’yev V.S. Work in the Ansys Mechanical CAE package: structural analysis by the finite element method. Samara: Izd-vo Samarskogo universiteta, 2018 (In Russ.).Guan J.H., Pei Y.C., Wu J.T. A driving strategy of shape memory alloy wires with electric resistance modeled by logistic function for power consumption reduction. Mechan. Syst. Signal Process. 2021. Vol. 160. P. 4—6 DOI: 10.1016/j.ymssp.2021.107839.Guan J.H., Pei Y.C., Wu J.T. A driving strategy of shape memory alloy wires with electric resistance modeled by logistic function for power consumption reduction. Mechan. Syst. Signal Process. 2021. Vol. 160. P. 4—6 DOI: 10.1016/j.ymssp.2021.107839.Glushhenkov V.A., Alekhina V.K. Thermal press stamp: Pat. 205272 (RF). 2021 (In Russ.).Глущенков В.А., Алехина В.К. Термический пресс-штамп: Пат. 205272 (РФ). 2021.Глущенков В.А., Алехина В.К. Термический пресс-штамп: Пат. 205272 (РФ). 2021.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.