CC BY
14
3. Востров В. Н., Баран А. Д. Станки для накатывания зубчатых профилей внутреннего зацепления // Металлообработка. 2002. № 1. С. 46-53.
4. Pat. 3735618 United States. В21Н5/02. Method and apparatus for internal gear rolling / E. S. Zook. Assignee: Reed Rolled Thread Die Company. N 05/151743, filing date: 10.06.1971, publ. date: 29.05.1973.
5. Востров В. Н., Атрошенко А. П., Любимов В. П. и др. Накатывание рабочих профилей нового подшипника повышенной грузоподъемности // Кузнечно-штам-повочное производство. 1989. № 5. С. 20-21.
6. Востров В. Н., Ли В. А. Оптимальное проектирование процесса накатывания внутренних волновых зубьев // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2002. № 1. С. 30-35.
7. Шекерджиев Э. Р., Востров В. Н. Многопроходное накатывание внутренних эвольвентных профилей // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. № 1. С.23-25.
8. Востров В. Н., Атрошенко С. А., Шлемин Е. В.
Физико-механическое состояние поверхности деталей холоднодеформированных ротационным способом в условиях химически активной среды // Поверхность. 1999. № 10. С. 56-61.
9. Аваков А. А., Попов Э. Н., Рухадзе С. С. и др. Применение спеченных конструкционных деталей в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении // Порошковая металлургия. 1974. № 2. С. 5-8.
10. Востров В. Н., Кузнецов П. А., Новиков А. В. и др. Накатывание внутренних зубчатых профилей на пористых заготовках // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2002. № 5. С.10-19.
11. Востров В. Н., Кузнецов П. А., Каран А. Д. и др.
Напряженное и деформированное состояния зубчатых колес, изготовленных накатыванием на биметаллических порошковых заготовках // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2006. № 2. С. 102-109.
УДК 621.73.043: 621.365.511
Деформирование,
совмещенное с контактным нагревом
В. В. Громов
Введение
Изотермическое деформирование имеет ряд преимуществ перед традиционными способами горячей штамповки с помощью штам-пового инструмента, имеющего температуру ниже температуры пластической деформации заготовки. Изотермическое деформирование позволяет повысить точность получаемых поковок, в том числе поковок сложной формы, с тонкими полотнами и ребрами, выступами и полостями, резкими перепадами сечений и другими элементами, для которых характерно большое отношение площади поверхности к объему и которые трудно или невозможно получить обычными методами формоизменения. При штамповке точных поковок обеспечиваются жесткие допуски, минимальные радиусы закруглений и штамповочные уклоны, и в результате коэффициент использования материала равен 0,8 и более (у поковок обычной точности он составляет в среднем 0,2-0,5), что особенно важно при производстве изделий из дорого-
стоящих материалов [1]. Использование изотермической штамповки для деталей с развитой конфигурацией поверхности дает возможность увеличить количество необрабатываемых поверхностей с 5-20 (при грубой штамповке) до 50-80 % [1]. Данная технология позволяет осуществлять деформацию легированных сталей и сплавов, имеющих узкий температурный диапазон штамповки, что оказывается невозможным при других способах деформации.
Несмотря на все вышеизложенные достоинства, изотермическая штамповка не получила широкого распространения. Основной причиной этого является несовершенство существующих способов изотермического деформирования. В настоящее время для нагрева и поддержания высоких температур штампового инструмента в дальнейшем используются либо индукторы, либо устройства, передающие тепловую энергию от элементов резисторного сопротивления. Опорные плиты приходится охлаждать водой. Все это ведет к большим затратам электрической энер-
гии, предназначенной преимущественно для нагрева охлаждающей жидкости, компенсации тепловых потерь вследствие излучения и конвекции. Кроме того, штамповый инструмент приходится ограждать теплоизолирующими конструкциями, в результате ухудшаются габаритные параметры, возникает потребность в крупногабаритных гидравлических прессах для эксплуатации штампового оборудования, становится невозможной изотермическая штамповка крупногабаритных поковок. Размеры штампуемых изделий снижаются в 1,5-2,0 раза, что при уменьшении удельных усилий деформирования в 2,5-3,0 раза приводит к использованию прессового оборудования на 15-20 % [1]. Также необходимо учитывать, что по сравнению с обычной горячей объемной штамповкой при использовании традиционных способов изотермической штамповки производительность снижается на 10-15 % за счет больших неудобств при укладке и удалении заготовки, так как эти операции проводятся через специальное окно в кожухе [2].
Решением вышеперечисленных проблем изотермической штамповки может стать технология, благодаря которой тепловые потери в период деформации компенсируются за счет энергии, выделяемой при протекании электрического тока через поверхность заготовки и формоизменяющего инструмента. При нагреве всего штампового инструмента до температур интервала штамповки сталей основная часть тепла затрачивается на излучение. По закону Стефана—Больцмана эти потери пропорциональны площади и возведенной в четвертую степень абсолютной температуры излучающего тела. Поскольку температура нагрева штампового инструмента составляет 700-1100 °С, то потери на излучение могут быть весьма существенными. Практика показывает, что только на поддержание высоких температур штампового инструмента может потребоваться до 250 кВт мощности [2].
При изотермическом деформировании, совмещенном с контактным нагревом, температура формоизменяющего инструмента будет существенно ниже, чем в тех случаях, когда производится нагрев всего штампа, так как он будет происходить преимущественно за счет теплопередачи от заготовки и протекающего через поверхность формоизменяющего инструмента электрического тока. Практика применения электроконтактного нагрева подтверждает, что он будет локальным [3].
Результаты исследования
Для определения вклада различных факторов, влияющих на температуру заготовки при ее деформации, сопровождаемой электроконтактным нагревом, был проведен ряд экспериментов на испытательном комплексе Gleeble 3800 (Dynamic Systems Inc.). Данный комплекс позволяет подвергать образцы различным регулируемым нагрузкам: на сжатие, растягивание и кручение. Одновременно заготовки можно нагревать за счет протекающего через их поверхность переменного электрического тока. Энергия, расходуемая на нагрев, регулируется, что позволяет контролировать скорость нагрева и уровень температуры исследуемого образца. Одновременно можно вести наблюдение за температурными параметрами с помощью точечных термопар в четырех точках на поверхности заготовки, одна из термопар будет управляющей.
Эксперименты проводились для определения энергосиловых параметров и параметров кинематики течения металла заготовки типа «шестерня» при деформации, совмещенной с контактным нагревом. Схема формоизменяющего инструмента экспериментальной установки представлена на рис. 1.
В данном эксперименте образец из алюминиевого сплава АМгб 9 диаметром 19 мм и высотой 5 мм помещается в формоизменяющий инструмент (рис. 2), состоящий из кольца 8, штамповой вставки 7, втулки 6. Деформация производится в результате движения пуансона 10, соединенного с подвижной траверсой. Электрический ток протекает через медные контакты подвижной 1 и неподвижной траверсы 5. Термопара № 1 3 завальцо-вана в образец 9, подвергаемый испытанию. Термопара № 2 4 через отверстие во втулке 6 подсоединена к кольцу 8. Термопара № 3
Нагрузка
Нагрузка
10 9 8 7 6
Рис. 1. Схема формоизменяющего инструмента
Рис. 2. Экспериментальный инструмент в разобранном виде и заготовка
Рис. 3. Экспериментальная установка
2 прикреплена на пуансоне в месте сопряжения с медным контактом. Формоизменяющий инструмент был изготовлен из стали 5ХНМ и подвергнут закалке. Выбор стали 5ХНМ обусловлен практикой применения данной стали при изготовлении инструмента для изотермической штамповки алюмини-
евых сплавов [4]. Формоизменяющий инструмент, установленный на экспериментальной установке, представлен на рис. 3.
Нагрев заготовки производился до температуры 450 °С. Выбор температуры нагрева определялся тем, что для сплава АМгб температурный интервал штамповки составляет 420-475 °С. В холодном состоянии сплав АМгб имеет предел прочности при растяжении 220 МПа и относительное удлинение 12 % [5].
Заготовка смазывалась никель-графитовой смазкой. Движение формоизменяющего инструмента было ограничено 5,5 мм. Скорость движения траверсы — 1,0 мм/с.
В данном эксперименте максимальное усилие 97,12 кН было достигнуто на 191 секунде эксперимента (рис. 4). При этом гравюра штампа была заполнена полностью, образование заусенца не наблюдалось, а полученная шероховатость поверхности заготовки была не ниже б,3 мкм. Заготовка представлена на рис. 5.
Кроме исследования влияния уровня прилагаемой нагрузки на заполняемость гравюры штампа исследовались процессы воздействия удельного напряжения в местах контакта на изменение температурных параметров в разных точках штамповой оснастки в ходе предварительного нагрева заготовки. Для этого был проведен второй эксперимент.
В первом эксперименте усилие на траверсе составляло 300 Н, нагрев в таких условиях соответствовал удельной нагрузке в месте контакта с пуансоном, равной примерно 1,0б МПа, а в месте контакта со штамповой вставкой — 5,97 МПа. Судя по рис. б, нагрев идет неравномерно. Термопара № 1, прикрепленная к заготовке, перегревается более чем на 30 °С по отношению к установ-
-20
-40
60
-80
Время, с
[ ¡Г § Й 2 Й £,М Е В 11»I 3 111 £ 5 3 1 8 3 § I Ь I 6
Он
Рис. 4. Изменение усилия в процессе деформации поковки типа «шестерня»
Рис. 5. Заготовка, полученная в ходе эксперимента
700
600
500
« 400
а
в
300
200
100
613.11
сп (п с-1 ст^ о» сп сч ^ сч оу ср. т ст* §1 от ?> ?! (г! от от от от от ^ от |й й
п « ^ »1 н Г1 1л к т и п и к в> « т 1л к н (ч 1Л п 1П г» СП - п 1л ^ л* и п т от -ч т т г^ ~ ~ ¡3
Я г< а о ш (л глг» лвв » ® (* г> и 1Л й и № п <0 о о □ т к н в « д( п' л н |л № 1« ^ N 4 о «
Время, с
Рис. 6. Изменение температуры на термопарах № 1-3 в первом эксперименте
ленному уровню 450 °С. Температура термопары № 3 достигает 623 °С, это явление можно объяснить тем, что в данной точке электрическое сопротивление максимально. Нагрев термопары №№ 2 происходит главным образом за счет теплопередачи от штамповой вставки, поэтому кривая роста температуры в штамповой вставке более равномерная и меньше реагирует на изменение уровня электрического тока. Наблюдается слабая кор-
реляция между тремя кривыми изменения температуры.
Уровень электрического тока зависит от угла открытия тиристора. Характер изменения данного параметра представлен на рис. 7. Угол открытия тиристора изменяется очень неравномерно во времени, что может косвенно свидетельствовать о больших колебаниях уровня электрического сопротивления в местах контакта. Кроме того, при рез-
......... ......--^¡л ¡г> 2 от ^ 5! <л ^от^^й^от^^'щ^отг^и^лЗ от г^ ¡Л т 2 ?! ^ 5> т 2 от ^ 1Л
к и 1л о' л 1« е ч К л в « й в т о? N 1Д » я ¡¡' н » й о о в т л н « (V л о й л' п N о * я' а
Время, с
Рис. 7. Изменение угла открытия тиристора в зависимости от времени в первом эксперименте
450
400
350
300
в
& 250
е в ер200
й
^ 150
100
50
1_
||||_I.
___
. 1.
_I_11_.
^_и.
1 1
| |_ 1
2 ? 5 Э ^ к :о [8 км гол л к со га со Й
' ^ Р1* ГЧ И п Ц1 л П Л ^ 1Г< № "С N гЧ и> И р ^ 1Л ? СО н л" П N Н щ'
П П М Л
[0 К СО Гч
Т1 С ГТ ^ ^
Г-' —' |Л
Ш Г* Г* Г^ »
Время, с
Рис. 8. Изменение температуры на термопарах № 1-3 во втором эксперименте
ких изменениях угла открытия тиристора также резко варьирует температура заготовки.
Во втором эксперименте усилие на траверсе было увеличено до 500 Н, что соответствует удельной нагрузке в месте контакта с пуансоном, равной примерно 1,80 МПа, а в месте контакта с штамповой вставкой — 9,95 МПа.
Как показано на рис. 8, нагрев идет более равномерно, чем в предыдущем эксперименте. Температура на термопарах № 1 и № 3 устойчиво выходит на заданный уровень (450 °С). Видна очевидная корреляция между тремя кривыми. Угол открытия тиристора (рис. 9) изменяется более равномерно. В основном он находится между 30 и 40°.
45
40
35
<3 &
ё 30
с
3
Л 25
3
е 20
&
е 15
.5 10
>5
— .-ж- 2 — 2' Я Э 5 ^ ® ® ^ Я 5 ст 5 5 » ? 5 ? 5 $ Л Я № Щ № № Я П В* П № № № П П Я П в* в* в № П № К К 5
, р* И| ГЧ ф • Н и' ~ ^ ^ --П ^ Г- рЧ Й0 <» Ш ~ '' — Т, .- Г, " "
1Г. № -Н •
Время, с
Рис. 9. Изменение угла открытия тиристора от времени во втором эксперименте
ЙпЛОО РАБОТН
Выводы
Проведенные эксперименты позволяют сделать ряд выводов. Во-первых, изотермическое деформирование при нагреве штампового инструмента электрическим током за счет контактного сопротивления позволяет получать поковки из сплавов, имеющих узкий температурный интервал штамповки. Во-вторых, можно обеспечить полную заполняемость штампа и шероховатость поверхности поковки не менее 6,3 мкм. В-третьих, если заготовку необходимо нагревать непосредственно в штампе, для осуществления устойчивого процесса нагрева удельное усилие на контактах должно быть не менее 1,8 МПа.
Литература
1. Чумаченко Е. Н., Смирнов О. М., Цепин М. А.
Сверхпластичность: материалы, теория, технологии. М.: КомКнига, 2005. 320 с.
2. Фиглин С. 3., Бойцов В. В., Калпин Ю. Г. и др.
Изотермическое деформирование металлов. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.
3. Романов Д. И. Электроконтактный нагрев металлов. М.: Машиностроение, 1965. 256 с.
4. Яковлев С. П., Чудин В. Н., Яковлев С. С. и др. Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов. М.: Машиностроение-1; Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 427 с.
5. Справочник металлиста / Под общ. ред. Н. С. Ачер-кан. М.: Машиностроение, 1959. 560 с.
Юбилей профессора Н. П. Агеева
7 сентября 2011 г. постоянному автору журнала «Металлообработка, профессору кафедры ««Высокоэнергетические устройства автоматических систем» Балтийского государственного технического университета ««Военмех» им. Д. Ф. Устинова Николаю Павловичу Агееву исполняется 80 лет.
После окончания учебы в Ленинградском Военно-механическом институте в 1953 году молодой специалист был направлен на крупное оборонное предприятие — Орский машиностроительный завод, где приобрел производственный опыт работы мастера штамповочного цеха. Получив твердые практические знания, молодой инициативный работник возглавил научно-исследовательскую группу СКТБ Орского завода. Новый этап творческой жизни Николая Павловича начался в аспирантуре Военмеха на кафедре профессора Смирнова-Аляева. После защиты кандидатской диссертации в 1963 году Николай Павлович прошел весь путь становления ученого и педагога от ассистента до профессора кафедры «Высокоэнергетические устройства автоматических систем».
Н. П. Агеевым сформированы и методически отработаны основные дисциплины инженерного профиля кафедры: «Технология производства выстрелов», «Технология листовой штамповки», «Основы проектирования технологических процессов», поставлены лабораторные работы, курсовое и дипломное проектирование по технологическому направлению подготовки специалистов, издан учебник «Технология производства патронов стрелкового оружия» в 3-х томах, «Справочник по технологии патронного производства» в 2-х томах, множество учебных пособий. Его научные труды (более 250) широко известны и пользуются заслуженной популярностью в вузах страны.
Высокий профессионализм профессора Агеева как научного руководителя подтверждается защитами 7 кандидатских диссертаций его учеников. Николай Павлович обладает незаурядными человеческими качествами: отзывчивостью, трудолюбием, любознательностью, внимательным отношением к коллегам и студентам. Все силы отдает благородному делу воспитания и образования молодого поколения инженеров, ученых и специалистов высокой квалификации. В настоящее время профессор Агеев является ведущим преподавателем кафедры: читает лекции, руководит работой дипломников и аспирантов, активно пропагандирует научнотехнические знания на конференциях, семинарах, среди работников промышленных предприятий.
Многолетнюю и плодотворную научную и педагогическую деятельность Н. П. Агеева высоко оценили Правительство, Министерство образования и Министерство оборонной промышленности России.
Поздравляя Николая Павловича Агеева с юбилеем, мы желаем ему здоровья и новых творческих успехов на благо нашей Родины.
Ректорат БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова
