CC BY
81
УДК 621.983
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ОТВЕТСТВЕННОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
В.М. Лялин
На базе оптимизации схем деформирования, исследования качества структуры и поверхностной твердости проведено экспериментальное исследование ключевых процессов полугорячей штамповки и свертки с прямым выдавливанием полуфабрикатов из прутковых заготовок стали 18 ЮА, обосновывающее возможность реализации высокоэффективной технологии изготовления тонкостенных изделий ответственного назначения в условиях массового производства.
Ключевые слова: полугорячая штамповка, свертка с прямым выдавливанием, качество структуры, твердость.
Одним из основных направлений в области производства тонкостенных изделий ответственного назначения является интенсификация существующих технологических процессов за счет применения прогрессивных заготовок и методов обработки металлов давлением, к которым следует отнести высокоскоростную полугорячую штамповку и совмещенную свертку с прямым выдавливанием.
Эффективность применения указанных методов зависит от правильности выбора основных технологических факторов: температуры, степени и скорости деформации, геометрии инструмента и оценивается величиной удельной силы на инструмент и качеством получаемых в процессе штамповки заготовок и полуфабрикатов.
В работе отражены результаты исследования возможности интенсификации технологического процесса изготовления указанных изделий из стали 18ЮА на базе использования прутковых заготовок, применения операций высокоскоростной полугорячей штамповки рондоли и совмещенной свертки с выдавливанием полуфабриката, аналогичного геометрии полуфабриката второй вытяжки существующего технологического процесса.
Известно, что применение прутковых заготовок повышает коэффициент использования материала до 95-98%, однако существенным недостатком их является наличие дефектов (волосовин, плен, надрывов и т.д.) на боковой поверхности, которые при известных методах производства не позволяют получать качественное изделие. Исследования дефектности прутковой стали 18ЮА, проведенные на микроскопе МИМ-8, показали, что глубина проникновения наиболее опасных дефектов-волосовин достигает 2+2,1% от диаметра прутка на сторону. Учитывая массовый характер производства, не представляется возможным введение в техноло-
гию изготовления механических операций зачистки боковой поверхности заготовок или полуфабрикатов вследствие их низкой производительности.
Исключение дефектности боковой поверхности прутковой заготовки и повышение качества структуры металла полуфабрикатов достигается определенным подбором параметров режима ключевых прессово-термических операций [1] технологического процесса: рубка прутка на заготовки; полугорячая штамповка рондоли; фосфатирование;
совмещенная свертка с выдавливанием полуфабриката, геометрически подобного (за исключением прессостатка) полуфабрикату 2-й вытяжки существующего техпроцесса.
Заготовки получали рубкой прутка в штампе с дифференцированным зажимом, обеспечивающим качественную геометрию и отклонение от номинального объема заготовки, не превышающее 2,5%, Принимая во внимание принятые размеры штампуемой рондоли (диаметр Вр — 19,5 мм, толщина Тр — 3,2 мм), расчёт размеров отрубаемой заготовки, производился по уравнению связи при следующих ограничениях: обеспечение наиболее благоприятных условий рубки [2]
к
п — к3 > 0,3 (1)
4 з
где к3 - высота отрубаемой заготовки; 43 - диаметр прутка;
- обеспечение высокого качества структуры металла рондоли в центральной области при штамповке с исключением возможности перемещения дефектных слоев боковой поверхности в торцевые [3].
Уравнение связи получено из условия равенства объемов готовки и штампованной рондоли
• кз — Вр • Тр (2)
Относительная степень деформации при штамповке рондоли
к3 - Тр
¿к > 0,3 (3)
к3
Представим выражения(1) и (3) в виде
к 3 — п ■ 43 , (4)
Т
к — Тр
п3 1 '
1 -ек
тогда
ТТ рр
п ■ 43 — —-— или 43 — -^— (5)
ек 3 (1 - ек)
п
и после возведения в куб получим
т 3
а3 - Тр
(1 -е )3 • П
Из выражений (2) и (4) следует
Л2 • т
а3 - Лр Тр
п
и очевидно, что
Л2 • т т3 р р р
п
(1 -е)
33 п
Преобразовав полученное уравнение связи с учётом известного
т р
К — —— 0,165, получим окончательно
Лр
(1 -е )3 — Кт. (6)
п
Анализируя уравнение (6), которое устанавливает взаимосвязь показателей е и п, можно получить ряд значений, удовлетворяющих принятым ограничениям
Взаимосвязь показателей е и п
е 0,4 0,45 0,5 0,55
п 0,355 0,404 0,467 0,547
Из — —-— — 7,1 мм, 1- еИ
4 V
з - 13,095 мм
В работе исследовался процесс полугорячей штамповки заготовок полученных е^ — 0,55 и п — 0,547 . Высота заготовки составила
Т
__ р "з 1-
и диаметр заготовки
а з —
з к
3
где Vз — 955,7 мм - объем заготовки.
Параметры заготовок выбраны (<аз — 13 мм и Нз — 7,2 мм), с учетом ГОСТ 2590-91.
Температурный интервал полугорячей штамповки рондоли принят по результатам опытов на растяжение и сжатие цилиндрических образцов из стали 18ЮА ГОСТ 15883-70 при повышенных температурах [4]
р Нз
и составляет 740-760 °С.
Для снижения влияния контактного трения при штамповке использовалась термостойкая смазка: водный 20% раствор концентрата сульфатно-спиртовой барды (КБЖ) ГОСТ 8518-57 с серебристым графитом ГОСТ 5279-61 в пропорции 3/1 по объему, которая наносилась тонким слоем (методом напыления) на рабочие поверхности инструмента.
Заготовки нагревались в электрической печи сопротивления МП-2У до температуры 780 °С, с учётом остывания ее до оптимальной температуры штамповки в процессе переноса из печи в рабочую зону штампа.
Штамповка рондоли осуществлялась на механическом копре и прессе К2130Б (номинальное усилие 100 т) в экспериментальном штампе (рис. 1), в конструкцию которого включена месдоза с тензодатчиками сопротивления. Запись усилия штамповки производилась с помощью электронной аппаратуры, представленной в работе [5]. Характер изменения усилия, достаточно плавный, без резких скачков, что благоприятно сказывается на работе инструмента, оснастки и оборудования. Величина удельной силы на инструмент превышает 1000 МП (100 кГ/мм ), что позволяет предполагать его достаточно высокую стойкость при массовом производстве.
Штампованная рондоль (рис. 2) имеет высокую чистоту поверхности, (соответствует 7-му классу), а колебания по толщине не превышают 0,1 мм. Особенностью рондоли является наличие компенсационного объема на контуре для исключения влияния колебаний объема на точность получения размеров по толщине и диаметру.
Структура и характер распределения поверхностной твердости вдоль радиуса штампованной рондоли представлены на рис.3 а, б. Анализ показывает, что структура деформированного металла равноосная, зерна округлой формы, как при отжиге. Проведенные замеры зерна феррита по ГОСТ 5639-65 по всему сечению рондоли соответствует 11^12 баллу, что свидетельствует о формировании в процесс горячей штамповки стали 18ЮА структуры неполного отжига.
Параметры структуры и твердость в штампованной рондоли свидетельствуют о возможности исключений из технологии операции полного раскристаллизационного отжига. Операция фосфатирования отожженных рондолей проводится в режиме существующего технологического процесса производства изделий.
Поэтапное изучение механизма деформации при свертке с выдавливанием (рис. 4 а, б, в, г) позволяет установить, что дефектный слой боковой поверхности рондоли перемещается в прессостаток, а оптимальный рабочий профиль пуансона и матрицы выдавливания определяется в текущий момент деформации условием равенства выдавливаемого объема и объема формирующего стенку полуфабриката переменной толщины.
Рис. 1. Схема штампа для полугорячей штамповкирондоли 1 - пуансонодержатель, 2 - месдоза, 3 - пуансон, 4 - матрица, 5 - выталкиватель,5 - матрицедержатель
Рис. 2. Штампованная рондоль.
а
б
Рис. 3. Структура и характер распределения поверхностной твердости вдоль радиуса штампованной рондоли: а - структура металла штампованной рондоли; б - характер распределения поверхностной твердости штампованной рондоли
Езах = Ер + 0,1 мм - диаметр заходной части матрицы, обеспечивающий надежное центрирование штампованной рондоли;
Км = (4 ^ 6) Тр, См = Сз + 2Тр - радиус и диаметр матрицы, обеспечивающие нормальные условия свертки без утонения [6] , с1з - диаметр калибрующей части пуансона вверху; Скв = Вп_2 - диаметр калибрующего пояска матрицы, равный минимальному диаметру полуфабриката 2-й вытяжки;
Нм = 2 мм - высота калибрующего пояска матрицы [6];
ам = 50° - односторонний угол ската матрицы.
Для образования внутренней конфигурации придонного участка полуфабриката выдавливания необходимо, чтобы пуансон выдавливания в нижней части рабочего профиля имел геометрию и размеры, соответствующие полуфабрикату 2-й вытяжки.
г
dl = dn _ 2 - диаметр калибрующей части пуансона внизу;
Яп = Яп _ 2 - радиус закругления калибрующей части пуансона;
I
И = Ип_2 _ д (п-2) - высота расположения линии сопряжения сферической и конической поверхностей калибрующей части пуансона (1дн (п-2) @ Тр ).
Процесс выдавливания начинается после того, как придонная часть полуфабриката будет втянута в калибрующий поясок матрицы на величину
I
Ип_2 = 1дн (п-2) + И в момент, когда замкнутый объем между пуансоном и матрицей Уост будет равен объему металла стенки полуфабриката без учёта объема придонного участка у. Определим объем Уост
У2 = 4 р % _ 2 _ Ип _ 2
= — 4 у
1 р (нп
Л \ п_
Уост = У2 + У3,
(^п _ 2 )2 + (d^ _ 2 ) + dn _ 2 • dn
) 2 _ 1
1п _ 2 ■ п_ 2
у =-р
И
п _2,
В
п_2
^ _2Ы< _2 ! + ^_2 •
Рассчитаем высоту первого конического пояска пуансона %2 _ И (рис. 4 в, г). Объем, заключенный между этими участками пуансона и мат-
I
рицей У2 будет равен объему стенки полуфабриката У^ и будет определяться
У2 = 4 р(%2 _ И) d2 3 ^12 + d2 + dl • d2)
где диаметры dl, d 2, dз равны соответственно размерам полуфабриката
' в dn_2, dn_2, dn_2.
Тогда
%2 = И +
4У
2
Р
2 1 | 2 2 ^ - + d2 + dl • d2
3
Аналогично вышеизложенному определим полную высоту калибрующей части пуансона
Нъ = ¿2 +
4У
3
Р
2 1 I 2 2 I
^^ — ( 2 + (з + (2 • 1з ]
где К3 = У3
Для проверки устойчивости процесса совмещенной свертки с выдавливаем рондоли в полуфабрикат, аналогичный по геометрии полуфабрикату 2-й вытяжки и изучения влияния степени деформации и геометрии инструмента на величину технологического усилия и качества полуфабриката, были проведены опыты.
В качестве исходных заготовок использовались штампованные рондоли, подвергнутые травлению и фосфатированию по существующей технологии (рис. 5, а). Заготовки перед выдавливанием обильно смазывались мыльной эмульсией.
Пуансон и матрица выдавливания расчетного профиля изготавливались из стали Х12М (ЫЯС 58^60). Инструмент устанавливался в опытном штампе, схема которого аналогична ранее приведенной. Все опыты проведены на гидравлическом прессе "Гидраума" (номинальное усилие 40 т).
Рис. 4. Схема поэтапной деформации при сварке с выдавливанием
Для получения действительных значений усилия и характера его изменения в процессе выдавливания осуществлялась запись диаграммы усилия методом тензометрирования.
Кривая изменения технологического усилия имеет, достаточно плавный характер. Максимальная величина наблюдается в финишной стадии выдавливания при толщине прессостатка 0,4^0,5 мм и составляет 24,5 тонны.
Сложнопрофильная калибрующая часть пуансона не оказывает значительного влияния на характер изменения усилия, он достаточно близок к
характеру изменения усилия при свертке с выдавливанием с цилиндрической калибрующей частью.
I
б
Рис. 5. Заготовка и результат операции: а - Зафосфатированная рондоль; б - полуфабрикат выдавливания
Анализируя точность и качество полуфабрикатов выдавливания (рис. 5, б) следует отметить, что достаточно высокая точность (в пределах допусков на толщину и высоту полуфабриката 2- ой вытяжки), чистота боковой и внутренней поверхностей обеспечиваются надежностью механизма деформации с применением фосфатного покрытия и омыливания по существующей технологии.
Результаты опытов по полугорячей штамповке и выдавливанию полуфабрикатов специзделий из стали 18ЮА показывают, что независимо от
геометрии рабочего инструмента величины удельной силы не превышают
2
1000 МПа (100кГ/мм ), что позволяет гарантировать его нормальную стойкость.
В процессе полугорячей штамповки и свертки с выдавливанием достигается достаточно высокая точность полуфабрикатов, качество поверхности и структуры.
Разрабатываемая начальная стадия технологии изготовления специзделий позволит сэкономить 35% основного материала и снизить трудоемкость производства в 1,3 раза.
Список литературы
1. Лялин В.М. Расчетно-технологический режим повышения качества заготовок в технологических производствах изделий ответственного назначения. Ж-л "Изв. ВУЗов. Черная металлургия" №11, 2013. С. 40 - 42.
2. Петкович В.И., Покровский В.Б. Технологические параметры процесса точной резки прутков сдвигом с дифференцированным зажимом. КШП, №3, 1968. С. 31 - 33.
3. Охрименко Я.М. Технология кузнечно-штамповочного производства. "Машиностроение", 1976. 560 с.
4. Лялин В.М., Петров В.И., Журавлев Г.М. Основы технологии объемной и листовой полугорячей штамповки. Тула, Тул. гос. ун-т, 2002. 160 с.
5. Лялин В.М., Кисвянцев С.А. Экспериментальные исследования процесса высокоскоростного пробития преграды конечной толщины двухэлементным инерционно-ударным узлом. Изв. ТулГУ. Технические науки, Вып.1, Тула, 2008. С. 140 - 145.
6. Фаворский В.Е. холодная штамповка выдавливанием. М., "Машиностроение", 1966. 165 с.
Виктор Михайлович Лялин, д-р техн. наук, проф., tevel71@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL STUDY JF KEY PROCESSES HIGHLY EFFICIENT
PRODUCTION TECHNOLOGY OF RESPONSIBLE DESTINATION ARTICLES
V.M. Lyalin
On the optimization shemes of deformation, the studi of the structure and quality of the surface hardness the exsperimental studi of key processes half - heat punching and folding with direct extrusion of semifinished steel bar stock 18YUA, which grounded the possibility of implementing highperformance technology of thin - walled articles of responsible destination in mass production, was made.
Key words: half - heat punching, folding with direct, extrusion, the quality of the structure, hardness.
Lyalin Viktor Mihaylovich, doctor of technical science, professor, te-vel71 @yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
