CC BY
37
7. Монтаж судовых машин и устройств с применением пластмассы EPY;
8. - Инструкция №8/7.5.1 «Установки судовых машин и устройств на подкладках литых из пластмасс: EPY, Chockfast, Epocast».
Pologlazkova Lyudmila Anatolievna, postgraduate (e-mail: pologlazkova@mail.ru)
Federal State-Financed Educational Institution of High Education «P.A. Solovyov Rybinsk State Aviation University», Rybinsk, RF Volkov Dmitry Ivanovich, doctor of technical science. professor (e-mail: d_i_volkov@rsatu.ru)
Federal State-Financed Educational Institution of High Education «P.A. Solovyov Rybinsk State Aviation University», Rybinsk , RF
PROVINING ACCURACY PARAMETERS OF MACHINED SURFACES OF BEARING METAL CONSTRUCTIONS FOR GAS TURBINES AND CHANING THE METHOD OF SUBSEQUENT ASSEMBLY
Abstract. In this article described bearing metal constructions for gas turbines, revealed existing features of providing accuracy parameters of machined surfaces and their influence to subsequent assembly. The most economically profitable modern technical decision for achieve required parameters and implemented solution of assembly. Keywords: welded construction, bulky wheldment, long-length machining (treatment), flat surface accuracy.
УДК 669.14.018.25 (031)
АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ГОРЯЧЕШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА Бартинов Илья Сергеевич, магистрант (e-mail:ilyab3499@yandex.ru) Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., доцент, профессор Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
(e-mail: eyakubovich@mail.ru)
В данной работе обсуждаются пути повышения технико-экономических и эксплуатационных параметров горячештампового инструмента. Основное внимание уделено подбору оптимального состава стали, выбору наиболее рациональных режимов термообработки и применению современных методов проектирования и моделирования инструмента.
Ключевые слова: штамповый инструмент, легирование, инструментальная сталь, термообработка, закалка, отпуск, эффективность, CAD, CAM, CAE.
Создание высокостойкого штампового инструмента для горячего деформирования, а также формообразующей оснастки для литья под давлением является составной частью проблемы повышения технико-
экономической эффективности процессов металлообработки. Эта проблема носит комплексный многоплановый характер [1-4]. С учетом диктуемой закономерностями конкретных условий реализации процесса деформирования и уточнения конечных параметров технологического процесса и требуемой стойкости формообразующего инструмента для ее решения можно выделить следующие пути:
- рациональное применение как вновь создаваемых, так и известных сталей;
- оптимизация режимов упрочняющей термообработки;
- применение современных методов моделирования и проектирования инструмента, позволяющих обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики.
Для целей горячего деформирования и литья сплавов под давлением штампы изготавливаются из специальной инструментальной стали, отличающейся высокой степенью легирования. К высоколегированным сталям и сплавам относят стали, содержащие до 5-25% сильных карбидообразующих элементов, таких как: хром, вольфрам, молибден, ванадий, ниобий и пр.[5,6].
Одной из существенных проблем применения горячештамповочного инструмента в массовом и крупносерийном производстве в машиностроении является его недостаточная в ряде случаев работоспособность и эксплуатационная стойкость. Принципиальную роль в решении этой проблемы играет процедура подбора стали оптимального состава. Обычно этим требованиям удовлетворяют стали, которые обладают лучшим сочетанием эксплуатационных и технологических свойств при наименьшем содержании в них легирующих компонентов. Эта задача решается на основе теории легирования [ 7 ].
Общее требование, предъявляемое к этим сталям, сводится к повышенному (а для некоторых штампов высокому) сопротивлению пластической деформации, износостойкости и, возможно, вязкости. Для штампов горячего прессования и литья под давлением рекомендуется, кроме того, высокая разгаростойкость.
Вместе с тем для процессов деформирования характерно большое различие в виде напряженного состояния, возникающего в штампе; оно сильно отличается при изменении условия штамповки. Поэтому для штампов в зависимости от их назначения, формы и размеров необходимо выбирать многочисленные и разные по составу стали.
Инструментальные стали и сплавы для горячего деформирования должны обладать сложным комплексом свойств [ 5, 6, 8 ]:
1) высокое сопротивление пластической деформации (предел текучести их при рабочих температурах должен быть не ниже 1000 МПа);
2) износостойкость;
3) теплостойкость;
4) достаточно высокая вязкость, особенно при работе с динамическими нагрузками;
5) разгаростойкость и низкий коэффициент теплового расширения;
6) окалиностойкость, особенно, если поверхностные слои нагреваются выше 600 0С; это в большой степени определяется и износостойкостью;
7) теплостойкость;
8) прокаливаемость, поскольку многие штампы имеют большой размер, и высокие прочностные свойства должны быть получены и в нижележащих слоях.
Следует также учитывать, что рабочую гравюру многих штампов нарезают после термической обработки.
Нагрев рабочих слоёв штампа в эксплуатации, определяющий уровень большинства их требований, зависит не только от температуры деформируемого металла, но и от длительности контакта с ним и условий охлаждения.
Чем выше скорость деформирование (быстроходные пресса при ковке и высадке) и интенсивней охлаждение, тем меньше нагрев. В данных условиях теплостойкость отходит на задний план, и вперёд выходят такие свойства, как вязкость, разгаростойкость и высокое сопротивление пластической деформации.
Рисунок 1 - Схема расположения инструментальных сталей и сплавов оптимального состава: 1-3 - теплостойкие стали и сплавы; 4-5 - не теплостойкие стали и сплавы; 1 - дисперсионно-твердеющие сплавы (В27К25); 2 - быстрорежущие стали (Р18,Р6М5 и др.) 3 - штамповые стали для горячей деформации; 4 - легированные инструментальные стали; 5 -углеродистые инструментальные стали (У 10).
Стали для более медленной деформации (прессование, выдавливание и многие операции штамповки) или обработки при высоких температурах
должны, кроме того, иметь повышенную теплостойкость и окалиностойкость.
В работе [7] приведена схема расположения инструментальных сталей и сплавов оптимального состава (рис.1), которая может быть положена в основу выбора материала для изготовления штампового инструмента в зависимости от эксплуатационных требований.
На лучах 1-3 расположены теплостойкие инструментальные сплавы и стали, упрочняемые дисперсионным твердением. На лучах 4 и 5 -нетеплостойкие легированные и углеродистые инструментальные стали, которые упрочняются в результате мартенситного превращения. Перемещение по каждому из лучей не изменяет строение и особенности превращения и термической обработки сплавов, но влияет на количество нерастворённых при закалке карбидов и интерметаллидов. В областях между лучами располагаются стали с промежуточными свойствами, например, низколегированные быстрорежущие стали (между 2-3 лучом) или наиболее теплостойкие стали (между лучами 1-2).
Выбор варианта упрочняющей термообработки может в широких пределах изменить структуру, а следовательно свойства высоколегированных инструментальных материалов [9,10].
Сталям рассматриваемого класса, как и среднелегированным, свойственно смещение процессов распада по температурной шкале в сторону более высоких температур. При этом первая стадия распада мартенсита не сдвигается по температуре и развивается, как и в углеродистых сталях, при температурах до 150 °С. Как указано в [ 11 ] таким сталям свойственна еще одна особенность распада, заключающаяся в том, что процессы карбидообразования, приводящие к формированию карбидов цементитного типа, преимущественно, на основе железа и специальных карбидов легирующих элементов, развиваются в резко различных температурных интервалах, что сопровождается появлением двух максимумов на кривой изменения твердости в зависимости от температуры отпуска (рис.2).
Первый максимум соответствует температуре 150 °С. Его появление обусловлено дисперсионным твердением мартенсита на первой стадии распада, сопровождающимся выделением когерентных метастабильных карбидов цементитного типа, в которых атомы железа могут частично замещаться атомами хрома.
ныс
65
60 1
55
50 1
45 ^ 1 1111 1 '
0 100 200 300 400 500 600 700 Температура отпуска,°С
Рисунок 2. Изменение твердости вольфрамовой стали умеренной теплостойкости в зависимости от температуры отпуска
По термической устойчивости такие карбиды практически не отличаются от аналогичных карбидов в малолегированных сталях, в связи с чем повышение температуры отпуска быстрорежущих сталей до 350-450°С приводит к существенному снижению твердости стали даже до 48-55НЯС. Снижение твердости при промежуточных температурах отпуска обусловлено теми же превращениями, которые происходят в рассматриваемом интервале температур в углеродистых и малолегированных сталях, а именно, процессами роста размеров карбидов цементитного типа, их частичной коагуляцией, обеднением твердого раствора по содержанию углерода, нарушением когерентности на межфазных границах.
Увеличение температуры отпуска выше 500 °С, активизируя диффузионную подвижность атомов таких легирующих компонентов, как хром, вольфрам, молибден, ванадий, имеющих более высокое сродство к углероду, создает условия для образования специальных карбидов легирующих элементов. В первую очередь это карбиды Ме6С (Бе ^3С, Бе 3М03С), М02С, W2C, УС, (Сг,Бе) 23С 6, (Сг,Бе) 7С 3. Эти стали могут применяться для изготовления штампов горячей деформации. Варианты рациональных схем упрочняющей термообработки рассмотрены в [ 11 ].
В первом случае от материала штампа требуется высокая теплостойкость, при которой поверхностные рабочие слои штампа, находясь в контакте с горячим деформируемым металлом, должны сохранять, не разупрочняясь, высокую твердость и износостойкость. При этом наиболее целесообразно использовать отпуск на вторичную твердость, в связи с чем к такому штамповому инструменту применяется следующая технология термической обработки: закалка с температуры
1115-1130°С, с последующим 3 - 5-ти кратным отпуском при температуре 500-520 °С. После закалки сталь получает твердость 45-48HRC и количество остаточного аустенита до 50-60 %. После 5-кратного отпуска твердость увеличивается до 59-62 HRC при содержании остаточного аустенита менее 2 %. Закалка с высоких температур обеспечивает большую степень легированности аустенита, повышенную его устойчивость к мартенситному превращению и большую легированность мартенсита, образующегося из него бездиффузионным путем и, следовательно, его высокую устойчивость к распаду при отпуске. Отпуск на вторичную твердость обеспечивает высокие значения теплостойкости.
Вторая схема термической обработки этих сталей предусматривает закалку с более низких температур (1000-1050°С) и последующий низкотемпературный отпуск (150-200°С). Более низкие температуры нагрева под закалку приводят к образованию менее легированного аустенита, имеющего более высокую точку мартенситного превращения. Поэтому после закалки такого штампового инструмента он содержит меньшее количество остаточного аустенита (обычно 10-12 %) и твердость 60 - 62 HRC. После низкого отпуска твердость готового штампа оказывается 62 - 63 HRC. Такая термическая обработка называется термообработкой на первичную твердость. Применение более низкой температуры закалки сохраняет более мелкое зерно стали и большее число не растворившихся при нагреве под закалку карбидов. При этом достигаются предельно высокие значения прочностных свойств (предел прочности при изгибе до 4000 МПа) и износостойкости.
Важным элементом в системе технологических мероприятий, направленных на обеспечение технико - экономической эффективности горячештамповочного инструмента может служить предварительное проектирование и создание электронной модели штампа и последующий расчёт этой модели с помощью CAD/CAM/CAE систем [12 ].
CAD-системы (сошриж-aided design компьютерная поддержка проектирования) предназначены для решения конструкторских задач и оформления конструкторской документации (более привычно они именуются системами автоматизированного проектирования САПР). Как правило, в современные CAD-системы входят модули моделирования трехмерной объемной конструкции (детали) и оформления чертежей и текстовой конструкторской документации (спецификаций, ведомостей и т.д.). Ведущие трехмерные CAD-системы позволяют реализовать идею сквозного цикла подготовки и производства сложных промышленных изделий.
В свою очередь, CAM-системы (computer-aided manufacturing компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.).
CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе [ 13,14 ].
САЕ-системы (computer-aided engineering поддержка инженерных расчетов) представляют собой обширный класс систем, каждая из которых позволяет решать определенную расчетную задачу (группу задач), начиная от расчетов на прочность, анализа и моделирования тепловых процессов до расчетов гидравлических систем и машин, расчетов процессов литья. В САЕ-системах также используется трехмерная модель изделия, созданная в CAD-системе. САЕ-системы еще называют системами инженерного анализа.
Проектирование электронных моделей позволяет сократить время различных этапов технологической подготовки производства, таких как: разработка электронных моделей заготовки, анализ технологичности конструкции, межоперационных моделей (как следствие межоперационных эскизов); автоматизированное проектирование техпроцессов (на основе конструкторско-технических элементов). Следовательно, сокращаются сроки изготовления детали, повышается конкурентоспособность и снижается себестоимость изделия [ 15,16 ].
Расчёт и анализ в CAE системе электронной модели штампа позволит наглядно увидеть общую деформацию штампа, эквивалентные напряжения и эквивалентные упругие деформации, а также определить места с пиковой нагрузкой, которые в последствии могут ухудшить эксплуатационные характеристики и привести к браку изготавливаемых изделий. Появляется возможность перепроектировать штамп исходя из полученных данных и вести коррективы в технологическую документацию.
Совместное применение анализируемых в работе подходов для проектирования конкретного варианта формообразующей оснастки для горячей штамповки и литья под давлением обеспечит принятие обоснованных технических решений и будет способствовать достижению повышенных показателей технико-экономической эффективности производственного процесса.
Список литературы
1. Трахтенберг Б. Ф. Стойкость штампов и пути ее повышения / Б.Ф. Трахтенберг. Куйбышев: Облиздат, 1964. 279 с.
2. Штампы для горячего деформирования металлов: Уч. пос. /М.А. Тылкин, Д.И. Васильев, А.М. Рогалёв и др. М.: Высш. школа, 1977. 496 с.
3. Фатеев В. И. Технологические основы повышения стойкости полых пуансонов для горячего деформирования осесимметричных поковок: автореф. дис. на соиск. учен. степ. докт. тех. наук (05.03.05) / Фатеев Вячеслав Игоревич; Тула, 2009. 17 с.
4. Позняк Л. А. Штамповые стали / Л. А. Позняк, Ю.М. Скрынченко, С.И. Тишаев. М.: Металлургия, 1980. 244 с.
5. Геллер Ю.А. Инструментальные стали, 4-е изд., перераб. и доп. / Ю.А Геллер. М.: Металлургия, 1975. 527с.
6. Позняк JI.A. Инструментальные стали: справочник / Л.А. Позняк. М.: Металлургия, 1977. 168 с.
7. Кремнев Л.С. Теория легирования и создание на её основе теплостойких инструментальных сталей и сплавов / Л. С. Кремнев // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. №11. С. 18-27.
8. Артингер И. Инструментальные и их термическая обработка / И. Артингер. М.: Металлургия, 1982. - 312с.
9. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. / А.П. Гуляев. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
10. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд. 3-е, испр. и доп. / И.И. Новиков. М.: Металлургия, 1978. 392 с.
11. Биронт В.С. Теория термической обработки металлов. - Закалка, старение и отпуск: Учеб. пособие. СФУ ИЦМиЗ / В.С. Биронт. Красноярск: 2007. 172 с.
12. Яблочников Е.И. Моделирование приборов, систем и производственных процессов. Учебное пособие / Е.И. Яблочков, Д.Д. Куликов, В.И. Молочник. СПб: СПбГУИТМО, 2008. - 156 с.
13. Ведмидь П.А. Программирование обработки в NX CAM. / П.А. Ведмидь, А.В. Сулинов. М.: ДМК Пресс, 2014. - 304 с.
14. Цветков В. Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов / В.Д. Цветков. М.: Машиностроение, 1972. 240 с.
15. Кандаков А.И. САПР технологических процессов: учебник для студ. высш учеб. заведения / А.И. Кандаков. М.: Издательский центр «Академия», 2007. 272 с.
16. Куликов Д. Д. Проектирование операционных заготовок с использованием трехмерных CAD-систем. / Д.Д. Куликов, Е.И. Яблочков // Известия вузов. Приборостроение. 2001. №9. С. 65-70.
Bartinov Ilya Sergeevich, undergraduate (e-mail: ilyab3499@yandex.ru) Samara State Technical University, Samara, Russia Eyakubovich Efim Abramovich, associate professor Samara State Technical University, Samara, Russia (e-mail: eyakubovich@mail.ru)
ANALYSIS OF THE WAYS TO IMPROVE THE TECHNICAL - ECONOMIC EFFICIENCY OF CREATION AND APPLICATION OF THE HOT STAMP TOOL
Abstract. This paper presents several ways to improve the technical, economic and operational parameters of the hot-stamping tool. The main attention is paid to the selection of the optimal composition of the steel, the choice of the most rational schemes and heat treatment modes and the application of modern design methods and modeling tools
Keywords: hot-stamping tool, alloying, alloy steel, heat treatment, hardening, tempering, efficiency, CAD, CAM, CAE.
