CC BY
32
УДК 621.771
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕССА ИНТЕНСИВНОГО ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
В. Н. Кокорин, А. М. Кожин, В. И. Филимонов, Е. А. Качагин, А. В. Кокорин, А. А. Айдашкин
TECHNICAL AND ECONOMIC ASPECTS OF APPLICATION PROCESS OF INTENSIVE PRESSING OF THE METAL POWDERS AT PRODUCTION TYAZHELONAGRUZHENNYKH DETAILS
V. N. Kokorin, A. M. Kozhin, V. I. Filimonov, E. A. Kachagin, A. V. Kokorin, A. A. Aydashkin
Аннотация. Актуальность и цели. В настоящее время в рамках импортоза-мещения уделяется большое внимание разработке новых, инновационных технологий прессования плотноупакованных изделий при изготовлении тяжелонагруженных деталей. Цель данного исследования - разработка основных технических и технологических мероприятий в рамках технологии интенсивного прессования порошковых материалов. Материалы и методы. Реализация задач была достигнута за счет использования методов математической статистики и планирования эксперимента. Результаты. В статье представлены материалы экспериментальных исследований процесса уплотнения увлажненных механических смесей. Определены основные функциональные связи, характеризующие свойства материала, режимы нагружения и уровень плотности плотноупакованной смеси. Представлены материалы по изучению деформационных характеристик уплотняемой среды. Выводы. Технико-экономический анализ основных технологий прессования металлических порошков позволил установить эффективность применения процесса интенсивного прессования металлических порошков при изготовлении тяжелонагруженных деталей.
Ключевые слова: прессование, металлические порошки, остаточная пористость, плотность, свойства, кривая, твердость, эффект, прессформа.
Abstract. Background. Within an import substitution the great attention is allocated to development of new, innovative technologies of pressing the dense of products at production the heavy-duty of details now. An objective of this research - development of the main technical and technological actions within technology of intensive pressing of powder materials. Materials and methods. Realization of tasks was reached due to use of methods of mathematical statistics and planning of experiment. Results. Materials of pilot studies of process of consolidation of the moistened mechanical mixes are presented in article. The main functional communications characterizing properties of material, the modes of loading and level of density of dense mix are defined. Materials on studying of deformation characteristics of the condensed environment are presented. Conclusions. The technical and economic analysis of the main technologies of pressing of metal powders allowed to establish efficiency of application of process of intensive pressing of metal powders at production the heavy-duty of details.
Key words: pressing, metal powders, residual porosity, density, properties, curve, hardness, effect, press form.
Введение
Важной проблемой, стоящей перед современным промышленным производством, является повышение эффективности, конкурентоспособности технологий и продукции, обеспечение их импортозамещения в процессах, связанных с получением высокоплотных порошковых деталей и заготовок, обладающих повышенным комплексом механических характеристик.
Современной тенденцией развития процессов обработки давлением при получении изделий, приближающихся по уровню физико-механических свойств к компактным деталям из литья и проката, является снижение остаточной пористостью до уровня < 1 % и образование благоприятной регламентированной структуры металла, что является важной научно-технической проблемой в связи с традиционно высокой потребностью промышленности в деталях конструкционного назначения. Наибольшими преимуществами обладает схема нагружения, реализующая комплексное всестороннее сжатие и сдвиговые деформации, при которых можно ожидать как снижение величины деформирующих сил, так и повышение плотности деталей и заготовок [1]. Однако в настоящее время отсутствуют системные данные по использованию эффективных схем уплотнения гетерофазных механических смесей, реализующих сдвиговые деформации; не выявлен механизм влияния условий уплотнения на структурирование; не сформулированы требования, которым должен отвечать инструмент для производства высокоплотных заготовок из металлических порошков обработкой давлением на прессах.
Цель проводимых исследований состоит в разработке новых технологических решений при проектировании операций изготовления заготовок и деталей из металлических порошков, обеспечивающих повышение качества структуры материалов на основе получения плотностей, приближенных к теоретической, путем интенсивного уплотнения гетерофазных механических смесей на основе железа при реализации механических схем нагруже-ния, инициирующих комплексное осевое и тангенциальное перемещение уплотняемого материала при обеспечении условий возникновения локализованного сдвига.
1. Экспериментальные исследования деформирования порошковой гетерофазной смеси
Проведен анализ закономерностей уплотнения поровой структуры и пластического деформирования твердой фазы механической смеси в условиях структурного и деформационного воздействия.
В экспериментальных исследованиях использовалась механическая смесь: железный порошок АНС100.29 и жидкая фаза (вода) в пропорции по массовой доле (85 : 15), исходная влажность Ж0 = 15 %.
Исследования проведены с использованием экспериментальной пресс-формы, содержащей коническую («тающую») матрицу, основание, деформирующий пуансон (рис. 1).
По результатам экспериментов был построен график изменения плотности структуры в процессе нагружения (кривая уплотнения), представленный на рис. 2.
Рис. 1. Экспериментальная пресс-форма для изучения уплотнения при реализации локализованного сдвига
Рис. 2. Анализ кривых уплотнения гетерофазных смесей на основе железа
Благодаря применению методики фиксирования характерных участков связи «плотность - давление» прессования определены значения величин интенсивности роста плотности в характерных участках.
Установлен характер уплотнения в диапазоне прикладываемых давлений от 950 до 1250 (1270) МПа, при этом наблюдается интенсивное уплотнение и угловых зон конической оснастки: при достижении средней плотности массива материала плотность прессовки находится на уровне 7,63 г/см3 (2ост = 3 %).
Четвертая стадия уплотнения определяется как деформационное уплотнение и характеризуется наличием локализованных сдвиговых деформаций, образованием плотностей структуры, близких к теоретической (<2ост = 1 %). Достижение плотности, близкой к теоретической, зафиксировано при давлениях прессования 1430 МПа.
Следует отметить существенное снижение потребных давлений прессования и достижения плотностей критического уровня (<2ост = 3 %): при использовании конической оснастки давление прессования составляет 1274 МПа, при использовании цилиндрической - 1600 МПа (см. рис. 2), т.е. зафиксировано уменьшение потребных давлений уплотнения в 1,25 раз (на 25 %).
По результатам экспериментов по изучению характера уплотнения ге-терофазной смеси на основе железа предложена физическая модель четырех-
стадийного процесса уплотнения при осевом и тангенциальном перемещении уплотняемой смеси.
В проведенных экспериментах изучалось влияние величины межинструментального зазора (7), исходной влажности (Ж) механической смеси, угла наклона конической образующей «тающей» оснастки (ао) на процесс уплотнения гетерофазной механической смеси при получении структур высокой плотности. В качестве регистрируемого параметра (отклика) принята плотность структуры на последней (четвертой) стадии уплотнения.
На рис. 3 представлена принципиальная схема экспериментальных исследований.
Исследовано влияние основных технологических факторов на уплотня-емость механической смеси. На рис. 4 представлена графическая интерпретация результатов исследования основных функциональных связей.
Рис. 4. Исследования основных функциональных связей при уплотнении материала в конической матрице
Был поставлен и реализован полнофакторный эксперимент по изучению уплотнения завершающей стадии прессования.
Основные технологические факторы:
1) угол наклона «тающей» матрицы (а): Х1 € [(10°); (30°)];
2) начальная влажность механической смеси (¥): Х2 € [0,1 (10 %); 0,2 (20 %)] (массовая доля жидкой фазы);
3) относительный межинструментальный односторонний зазор: (7отн = односторонний зазор 7/диаметр прессовки Б): (7): Х3 € [0,005; 0,025]. Откликом принята относительная плотность механической смеси.
Получена комплексная параметрическая модель в виде полинома множественного порядка, определяющая влияние угла наклона, зазора и влажно-
1 ппг/1 0,0081 0.0024 0.0187
сти на плотность четвертой стадии прессования: р = 1,0054а z w .
В работе проведено исследование деформационного упрочнения металлической матрицы-основы массива прессовки гетерофазной механической смеси при использовании теории деформационного уплотнения М. С. Ковальченко [2].
В табл. 1 представлены аналитико-экспериментальные исследования текущей плотности (абсолютной и относительной) и осевого давления, а также расчетные величины сдвиговых напряжений т. и среднеквадратичных деформаций <ет>. Зависимость сдвигового напряжения пластической деформации (текучести) матрицы пористого тела (т = <т>) от ее средней квадратичной сдвиговой деформации (<ет>) с учетом упрочнения определена в виде
: Ту(0)
+
<Ет > ( >
0 I#<8ш >
ё <ет>,
где хЖ(0) - начальный предел текучести; - - модуль деформационного
ке>
2(1 -о2/р)
——-—-— , где 61 = р (осевое давление); р - от-
упрочнения или т. = 61
' р2,5/о(2-р2/о)
носительная плотность структуры. Истинная (среднеквадратичная) деформация матрицы составляет
0 7 - р2/р
<- = р<2,5-4р)(^ ^
р0
Таблица 1
Анализ деформационного упрочнения материала-матрицы структуры прессовки
т
■У
№ точки Цилиндрическая оснастка Коническая («тающая») оснастка
Исходные данные Рассчитанные данные Исходные данные Рассчитанные данные
р , г/см3 P, МПа МПа < е > т р , г/см3 P, МПА МПа < е > т
1 1,44 0,183 0 0 2,66 • 10-6 1,44 0,183 0 0 2,66 • 10-6
2 4,5 0,573 94 319,89 0,137 • 10-6 4,72 0,601 120 329,0 0,164 • 10-6
3 5,52 0,703 223 367,1 0,279 • 10-6 5,89 0,750 297 401,0 0,339 • 10-6
4 6,12 0,779 350 418,68 0,378 • 10-6 6,10 0,777 350 422,5 0,375 • 10-6
5 6,54 0,833 493 468,22 0,456 • 10-6 6,59 0,839 493 457,2 0,465 • 10-6
6 6,82 0,868 573 464,13 0,511 • 10-6 6,83 0,870 573 459,2 0,512 • 10-6
7 7,37 0,938 637 349,05 0,641 • 10-6 6,9 0,878 653 501,8 0,527 • 10-6
8 7,35 0,936 720 379,625 0,629 • 10-6 6,91 0,880 722 548,0 0,531 • 10-6
9 7,32 0,932 810 442,915 0,637 • 10-6 6,92 0,881 812 614,8 0,532 • 10-6
10 7,3 0,929 955 533,43 0,622 • 10-6 7,14 0,909 955 615,4 0,582 • 10-6
11 7,34 0,935 1274 678,83 0,634 • 10-6 7,63 0,971 1274 441,3 0,725 • 10-6
12 7,69 0,979 1600 471,93 0,751 • 10-6 7,79 0,992 1592 288,2 0,808 • 10-6
При отыскании определенного интеграла использован метод трапеций. Выявлена корреляция между продолжительностью (по шкале давлений) стадий уплотнения и деформационными характеристиками уплотнения механической смеси (рис. 5).
Рис. 5. Функциональные характеристики деформационного упрочнения металла-матрицы структуры прессовки
Анализ механических испытаний структуры свидетельствует о существенном увеличении прочностных характеристик структуры на конечной стадии уплотнения (рис. 6).
Рис. 6. Сопоставительная схема распределения твердости по сечению образца (постадийно)
Установлен высокий уровень гомогенности структуры при достижении твердости, превышающей твердость беспорового материала в зонах наибольшего сдвига за счет интенсивного деформационного упрочнения. Сравнение твердости структур завершающих стадий - пятой стадии (статическое прессование в цилиндрической матрице - Тв ц.) и четвертой (локализованный сдвиг при использовании конической матрицы - Тв сдв.) - позволило установить следующее: Тв сдв. / Тв ц. = 1,15 (превышение на 15 %).
В рамках действующего производства ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии» проведен сопоставительный анализ технологий прессования детали конструкционного назначения номенклатуры ОАО «ДААЗ» № 2108-1006130-10 «Кольцо» (рис. 7).
§ ч- сь!
11111 11111
тг007 027,79 +01Шд)
Рис. 7. Деталь № 2108-1006130-10 «Кольцо» номенклатуры ОАО «ДААЗ»
При анализе регламента уплотнения были учтены результаты совместных опытно-промышленных испытаний механических свойств, проведенных в лаборатории порошковой металлургии ООО «ДЗПМ» [1]. Испытания образцов проводились при использовании трех технологических схем: 1 - одностороннее прессование сухих порошков; 2 - одностороннее прессование увлажненных гетерофазных механических смесей в гладкой матрице (dп = В - 2г); 3 - одностороннее прессование увлажненных гетерофазных механических смесей при реализации условий, реализующих возникновение локализованных сдвиговых деформаций с использованием механической схемы нагружения, моделирующей боковое выдавливание (dп = Вд -
- 2^а = Вд - 2d).
Использован следующий состав: смесь № 10 (С = 0,40 %, Си - 2,5 %, Бе - остальное).
Образцы № 1 были изготовлены из сухой механической смеси с добавлением 1 % массовой доли стеарата цинка; образцы № 2 и 3 были отпрессованы из увлажненной механической смеси с добавлением 15 % массовой доли Н2О.
Образцы № 1, 2, 3 спекались в печи конвейерной, продолжительность спекания - 1,5 часа, температура рабочей зоны - 1100 °С. Состав атмосферы печи спекания - эндогаз.
Данные по испытаниям уровня технологических и механических свойств представленных образцов приведены на рис. 8-10.
Анализ результатов опытно-промышленных испытаний, проведенных в условиях действующего производства ООО «ДЗПМ», позволяет сделать вывод о том, что применение нового способа интенсивного прессования увлажненных порошков с реализацией условий нагружения, инициирующих локализованный сдвиг, существенно увеличивает механические эксплуатаци-
онные свойства деталей конструкционного назначения и рекомендуется к использованию в действующем производстве.
Тмпояоп
Рис. 8. Соотносительный анализ плотностей
Твердость образцов
62
со ОЙ X
6050
л
| 30 es е.
а 10
н
0
20
57
1 2
Технология
3
Рис. 9. Соотносительный анализ твердости
Ра фу ни ни паи натрузка
14 _
= f
=5 il
2Ю0
2000 ■Щ}
Ш} ТЛЮ Ш1
гт
1900
ГШ
1 2 Технология
Рис. 10. Соотносительный анализ разрушающей нагрузки
2. Экономическая эффективность основных технологий прессования металлических порошков при получении плотноупакованных изделий
Представлен анализ экономической эффективности основных технологий прессования плотноупакованных деталей на примере детали номенклатуры ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии» [3].
Исходные данные
1. Деталь № 2101-2905628-20 «Тарелка ограничительная выпускного клапана поршня амортизатора передней подвески» (номенклатура ООО «Ди-митровградский завод порошковой металлургии») (рис. 11).
Использована механическая смесь: смесь № 10 (С = 0,25 %; Си = 4,5...5,5 %; Бе - остальное (порошок АНС.100.29)) с добавлением 15 % массовой доли Н2О.
2. Годовая программа А = 300 000 шт.
Рис. 11. Деталь № 2101-2905628-20 «Тарелка ограничительная выпускного клапана поршня амортизатора передней подвески» (номенклатура ООО «Димитровградский
завод порошковой металлургии»)
Анализ рассматриваемых технологий
В соответствии с разработанным классификатором [1] рассмотрены пять основных технологических схем, представленных в табл. 2.
Таблица 2
Структура технологий
Технология Основные операции Остаточная пористость Масса исходной шихты, %
1 2 3 4
Однократное прессование и спекание Смешивание Формование Спекание 20 Основа -13,28
Двухкратное прессование (допрессовка) и спекание Смешивание Формование Спекание Допрессовка 5-10 Основа -13,28
Высокотемпературное динамическое прессование (ДГП) Смешивание Формование Нагрев + выдержка < 3 Основа - 13,28
1 2 3 4
Высокотемпературное гидравлическое статическое прессование (ГИП) Смешивание Нагрев + прессование < 1 Основа - 13,28
Интенсивное прессование увлажненных смесей (использование конической матрицы) Смешивание Формование Спекание < 1 Основа + Н 2О (10 %) 14,75 + 1,475 = 16,23
Однократное прессование и спекание (пункт 1) имеет ограничения по величине остаточной пористости, которая, как правило, не меньше 15-20 %. Процессы ГИП (пункт 4) характеризуются малой производительностью, использованием сложного оборудования; как правило, применяются для изготовления крупногабаритных изделий в мелкосерийном и серийном производствах. Пункты 1 и 4 табл. 2 в рассмотрении годового экономического эффекта не использованы.
В табл. 3 представлено основное технологическое оборудование при анализируемых технологиях.
Таблица 3
Технические характеристики используемого оборудования
Назначение Модель Потребляемая мощность, кВт Стоимость Цоб, млн руб.
Смешивание Смеситель СБУ-3-В 9 1,7
Формование Пресс-автомат ДК100 22 4,2
Спекание Печь СКЗ-6.95.1,2/11,5И1 250 6,1
Допрессовка Пресс-автомат ДК100 22 4,2
Нагрев + выдержка Индуктор ЮУ50 10 1,1
Прессование Пресс К0736 5 4,8
Нагрев + прессование Гидростат + индуктор 20 5,35
Определение годового экономического эффекта
Для расчета экономического эффекта используется метод приведенных затрат [4]. Годовой экономический эффект представленных технологий рассчитывают по следующей формуле:
Э = (С + К1Ем)Р - (С2 + К 2 Ем),
где С1, С2 - себестоимость годового объема производства соответственно по базовому и проектному вариантам, руб.; К1, К2 - капитальные вложения соответственно по базовому варианту и проектному вариантам, руб.; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (принимают 0,15); Р - коэффициент эквивалентности для приведения показателей базового варианта к сопоставимому с проектом виду по объему производства (РА), качественным параметрам (Р кач), фактору времени (Р ¿):
в = рАркачв^, вкач = ^Пкач1,
Пкач2
где Пкач1, Пкач2 - показатели качества продукции соответственно по базовому и проектному вариантам;
1
Р =
(1 + Е)'
где Е - норматив приведения; ^ - число лет от момента, когда были осуществлены вложения, до расчетного года.
Для сравнения экономической эффективности рассмотрим вторую, третью, пятую технологии, обеспечивающие получения остаточной пористости < 5 %.
Сравнение второй и пятой технологий:
32-5 = (8 826 844,6 + 26 013 900 ■ 0,15) • 1 - (6 661 171,3 + 20 177 460 ■ 0,15) =
= 3 041 139,3 руб.
Экономическая эффективность при сравнении второй и пятой технологий составляет 3041 тыс. руб.
Сравнение третьей и пятой технологий:
33-5 = (8 258 531,8 + 20 739 600 ■ 0,15) • 1 - (6 661 171,3 + 20 177 460 ■ 0,15) =
= 1 681 681,5 руб.
Экономическая эффективность при сравнении третьей и пятой технологий составляет 1681 тыс. руб.
При этом при выборе технологий прессования увлажненных смесей необходимо учитывать внешнюю форму изделия. Так, для получения изделия типа «ромб» (с развитыми радиальными элементами детали) целесообразно использовать технологию с использованием локализованных сдвиговых деформаций (пятая технология), тогда будет минимизирована материалоемкость изделия за счет отсутствия потерь материала (табл. 4).
Таблица 4
Сравнительный анализ базовых и проектных технологий
Анализ базовой
(вторая, третья)
Статьи расходов, руб и проектной (пятая) технологии
вторая, пятая
третья
1 2 3
Основные материалы 159 360 159 360
177 002,6 177 002,6
Основная заработная плата основных рабочих 960 000 960 000
720 000 720 000
1 2 3
Премии основных рабочих 288 000 216 000 288 000 216 000
Дополнительная заработная плата 124 800 93 600 124 800 93 600
Отчисления во внебюджетные фонды с зарплаты основных рабочих 398112 298 584 398112 298 584
Возмещение износа инструмента 923 400 684 532 672 600 684 532
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования 1 108 080 821438 807 120 821438
Цеховые расходы 2 880 000 2 160 000 2 880 000 2160 000
Итоговая цеховая себестоимость 6 841752 5171156,6 6 289 992 5171156,6
Общезаводские расходы 1728 000 1296 000 1728 000 1296 000
Итоговая производственная себестоимость 8 569 752 6 467156,6 8 017 992 6 467156,6
Коммерческие расходы 257 092,6 194 014,7 240 539,6 194 014,7
Итоговая полная себестоимость 8 826 844,6 6 661171,3 8 258 531,8 6661171,3
Эффективность по себестоимости 2 165 673,3 1 597 360,5
Сопоставительный анализ рассматриваемых технологий интенсивного прессования увлажненных металлических смесей показал эффективность технологических решений с использованием локализованных сдвиговых деформаций в матрице, реализующих поперечное перемещение материала [4].
^исок литературы
1. Кокорин, В. Н. Теория и практика процесса прессования гетерофазных увлажненных механических смесей на основе железа : моногр. / В. Н. Кокорин, А. И Руд-ской, В. И. Филимонов [и др.]. - Ульяновск : УлГТУ, 2012. - 236 с.
2. Ковальченко, М. С. Реологическая модель прессования порошков / М. С. Коваль-ченко // Порошковая металлургия. - 1990. - № 3. - С. 100-104.
3. Оценка технико-экономической эффективности процессов прессования высокоплотных изделий методом порошковой металлургии / В. Н. Кокорин, С. Ю. Кондратьев, А. М. Кожин, В. А. Щепочкин, Н. А. Сизов, А. В. Кокорин // Заготовительные производства в машиностроении. - 2014. - № 10. - С. 7-15.
4. Трусова, Л. И. Экономика машиностроительного предприятия : учеб. пособие / Л. И. Трусова, В. В. Богданов, В. А. Щепочкин. - Ульяновск : УлГТУ, 2011. - 200 с.
Кокорин Валерий Николаевич
доктор технических наук, профессор, кафедра материаловедения и обработки металлов давлением, Ульяновский государственный технический университет E-mail: vnkokorin@mail.ru
Кожин Александр Михайлович директор,
ООО «Димитровградский завод порошковой металлургии» E-mail: kozhin@mail.ru
Филимонов Вячеслав Иванович доктор технических наук, профессор, кафедра материаловедения и обработки металлов давлением, Ульяновский государственный технический университет E-mail: filimonov@mail.ru
Качагин Евгений Александрович кандидат экономических наук, доцент, заведующий кафедрой маркетинга, Ульяновский государственный технический университет E-mail: kashagin@mail.ru
Кокорин Алексей Валерьевич аспирант,
Ульяновский государственный технический университет E-mail: a.kokorin@mail.ru
Kokorin Valery Nikolaevich doctor of technical sciences, professor, sub-department of material science and metal forming,
Ulyanovsk State Technical University
Kozhin Alexander Mikhaylovich director,
Dimitrovgrad powder metallurgy plant
Filimonov Vyacheslav Ivanovich doctor of technical sciences, professor, sub-department of material science and metal forming,
Ulyanovsk State Technical University
Kachagin Evgeny Aleksandrovich candidate of economic sciences, associate professor, head of sub-department of marketing, Ulyanovsk State Technical University
Kokorin Alexey Valeryevich
postgraduate student,
Ulyanovsk State Technical University
Айдашкин Александр Алексеевич Aydashkin Alexander Alekseevich
студент, student,
Ульяновский государственный Ulyanovsk State Technical University
технический университет E-mail: aydashkin94@mail.ru
УДК 621.771 Кокорин, В. Н.
Технико-экономические аспекты применения процесса интенсивного прессования металлических порошков при изготовлении тяжелонагруженных деталей / В. Н. Кокорин, А. М. Кожин, В. И. Филимонов, Е. А. Качагин, А. В. Кокорин, А. А. Айдашкин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 1 (17). - С. 258-270.
