CC BY
101
УДК 621.983; 539.374
ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ ПРИ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКЕ С УТОНЕНИЕМ
СТЕНКИ
С.С. Яковлев, В.И. Трегубов, Е.В. Осипова
Приведены результаты экспериментальных исследований по формированию механических свойств материала изготавливаемых осесимметричных деталей ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании. Выявлено влияние технологических параметров, геометрии деформирующего ролика, схемы операции ротационной вытяжки и предварительной и окончательной термической обработки на формирование механических свойств материала изготавливаемых деталей.
Ключевые слова: технологические параметры, ротационная вытяжка, термическая обработка, оправка, ролик, трубная заготовка, шаг подачи, степень деформации.
Растущая потребность в производстве сложнопрофильных осесимметричных деталей наряду с предъявляемыми к ним высокими требованиями по точности геометрической формы, диаметральным размерам, толщине стенки, качеству поверхности и механическим свойствам, связанным с обеспечением надёжности эксплуатации деталей в условиях агрессивной среды, высоких температур и давлений, определяют необходимость совершенствования методов их изготовления. Наряду с традиционными методами изготовления сложнопрофильных осесиммет-ричных деталей механической обработкой и многооперационной вытяжкой за последние годы широкое применение находит ротационная вытяжка на специализированном оборудовании с использованием в качестве деформирующих элементов роликов [1, 2]. Для производства такого типа деталей находят успешное применение схемы ротационной вытяжки роликами с открытой и закрытой калибровкой, а также с разделением очага деформации [1-5].
Цельнометаллические корпуса полых осесимметричных деталей ответственного назначения работают в тяжелых условиях эксплуатации (агрессивные среды, высокие статические и динамические нагрузки), поэтому к механическим свойствам этих изделий предъявляются специальные требования [1-5].
В процессе ротационной вытяжки повышаются прочностные характеристики материала (временное сопротивление ов, условный предел текучести о 02) и снижаются относительное удлинение 8 и относительное сужение площади поперечного сечения у. Изменение механических свойств материала зависит от степени его деформации е.
43
Явление упрочнения материала в процессе пластической деформации в отдельных случаях используется как положительный фактор для повышения конструктивной прочности изготавливаемых деталей. Вместе с тем, имеющее место при этом снижение пластических свойств отрицательно сказывается на возможностях интенсификации процесса ротационной вытяжки.
Приведены результаты экспериментальных исследований по изменению механических свойств материала изготавливаемых осесимметрич-ных деталей ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании.
При проведении экспериментальных работ был исследован характер изменения механических свойств стали 10 при различных схемах обработки, технологических и геометрических параметрах инструмента ротационной вытяжки. Основные типы роликов, используемых для ротационной вытяжки осесимметричных деталей, показаны на рис. 1.
Рис. 1. Типы роликов, используемых для ротационной вытяжки
осесимметричных деталей
Экспериментальные работы производились на станке СХП-2. Ротационная вытяжка осесимметричных деталей осуществлялась по трем наиболее характерным схемам обработки: 3-роликовой схеме с использованием деформирующих роликов открытой калибровки (рис. 2); 3-роликовой схеме с использованием роликов закрытой калибровки (рис.3); 3-роликовой схеме с разделением очага деформации (рис. 4).
Для оценки влияния технологических параметров на качественные характеристики осесимметричных деталей ротационная вытяжка выполнялась с различными степенью деформации е и рабочей подачей 5, которые изменялись в диапазоне от 10 до 70 % и от 0,55 до 2 мм/об соответственно, где е = (1 - ^/ ¿0)100 %; ^ и ^ - толщина стенки исходной заготовки и детали.
Рис. 2. Схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей тремя роликами с открытой калибровкой: 1 - ролик; 2 - деталь;
3 - оправка
Рис. 3. Схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей роликами с закрытой калибровкой: 1 - ролик; 2 - деталь; 3 - оправка
Рис. 4. Трех роликовая схема ротационной вытяжки осесимметричных деталей с разделением деформации при радиальном смещении роликов:
1 - ролик; 2 - оправка; 3 - деталь
В качестве деформирующего инструмента при проведении экспериментальных работ были использованы конические ролики с открытой и закрытой калибровкой диаметрами = 220 мм, углом рабочего конуса
ар=10...30°, высотой калибрующего пояска Ь = 3 мм . Рабочий инструмент (ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 ИЯСэ. Ротационная вытяжка осесимметричных деталей осуществлялась при постоянной скорости вращения оправки с частотой п = 180 1 / мин.
После проведения ротационной вытяжки с различными степенями деформации заготовки из стали 10 подвергались низкотемпературному отжигу при Г0тЖ = 400 °С.
Для определения механических характеристик материала трубных заготовок и полуфабрикатов при разных степенях деформации изготовлялись продольные образцы. Количество образцов каждого типа равнялось шести. Величины условных пределов текучести ^0 2, временного сопротивления ав, относительного максимального удлинения 85 образца в направлении образующей трубных изделий вычислялись в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Кривые изменения механических свойств стали 10 в зависимости от степени деформации е приведены на рис. 5. Здесь сплошными линиями показаны результаты экспериментальных исследований механических свойств материала детали при ар = 15°; штрихпунктирными
- а р = 20°.
Анализ результатов механических испытаний образцов деталей, подвергнутых различным степеням деформации е при различных схемах ротационной вытяжки и рабочей подачи Б, показывает, что характер изменения механических свойств деталей практически не зависит от выбранных схем их обработки. Некоторые различия в характере изменения механических свойств объясняются величиной образования наплыва металла перед очагом деформации. Установлено, что при ротационной вытяжке деталей из стали 10 роликами открытой калибровки более интенсивное изменение механических свойств имеет место при обработке
роликами с углом а р = 20° (с колебаниями величины наплыва Ь^ в исследуемом интервале степеней деформации от 0,7 до 1,14 мм) по сравнению с обработкой деталей по той же схеме роликами с углом а р = 15° (с колебаниями наплыва Ь^ = 0,47...0,74 мм). Отметим, что детали, обработанные по той же схеме роликами с углом а р = 30°, из-за наличия поверхностных дефектов (от чрезмерной величины наплыва при ротационной вытяжке) механическим испытаниям не подвергались.
46
О 10 20 30 40 50 % 70
£ ->-
Рис. 5. Зависимости изменения о0 2 и ов для стали
10от е (Б = 0,55 мм/об)
Характер изменения механических свойств деталей из стали 10, обработанных роликами с закрытой калибровкой, аналогичен результатам,
полученным при обработке роликами открытой калибровки при а р = 20°.
Механические свойства деталей, деформированных по схеме с разделением деформации, идентичны результатам, полученным при обработке деталей роликами открытой калибровки с углом а р = 15°.
Результаты проведенных работ показывают, что при ротационной вытяжке деталей из стали 10 со степенью деформации до 60 % величины ов и о02 возрастают на 50...55 %, а величина 8 снижается более чем в 2
раза.
На основе этих экспериментальных данных были построены математические зависимости изменения временного сопротивления о в, условного предела текучести о02 и относительного удлинения 8 от степени
деформации е при ротационной вытяжке.
Зависимости изменения ов, о02 и 8 от степени деформации е
описывались выражением
у = У0 + аеЬ, (1)
где у0 и у - величина исследуемой характеристики механических свойств до и после пластической деформации е; а и Ь - экспериментальные константы.
Вид формулы (1) выбирался с учетом качественных закономерностей изменения исследуемых механических характеристик, а также исходя из условия минимума дисперсии адекватности формулы экспериментальным данным. Экспериментальные константы а и Ь находились по методу Хука - Дживса.
Выполнены экспериментальные исследования по влиянию геометрии деформирующего ролика и схемы операции ротационной вытяжки на формирование механических свойств стали 10ГН в зависимости от степени деформации е . В табл. 1 представлены величины экспериментальных констант для исследуемых характеристик механических свойств исследуемой стали.
Таблица 1
Экспериментальные константы зависимости вида
Материал Схема обработки У У0 а Ь
Сталь 10ГН; закалка ТВЧ; Тзак = 970...1030 °С; отпуск Тотп = 590 °С; время 1отп = 190 мин 1 о в, МПа 577 330,4 0,73
о 0,2, МПа 511 331,6 0,72
5, % 13,1 -9,9 0,64
2 о в, МПа 577 409,3 0,74
о 0,2, МПа 511 403,7 0,74
5, % 13,1 -11,3 0,63
Здесь введены следующие обозначения для схемы обработки и последующей термической обработки детали: 1 - схема с использованием деформирующих роликов открытой калибровки, а р = 20°; низкотемпературный
отжиг; Тотж = 400 ° С; 2 - схема с разделением очага деформации ар = 10°; ар = 20°; ар3 = 30°; 3 - схема с использованием деформирующих роликов открытой калибровки, ар = 15°; низкотемпературный отжиг; Тотж = 400 °С; 4 - схема с использованием деформирующих роликов закрытой калибровки, а р = 30°, а в = 5°, Ьг =А1, а з = 15°; низкотемпературный отжиг; Тотж = 360 °С; 5 - схема с использованием деформирующих роликов открытой калибровки, а р = 20°.
Приведенные выше результаты экспериментальных исследований использованы при проектировании новых технологических процессов ротационной вытяжки цельнометаллических корпусов изделий ответственного назначения.
При изготовлении осесимметричных корпусных деталей с переменной толщиной стенки из трубных заготовок из стали 10 методом ротационной вытяжки по действующему технологическому процессу необходимой предварительной термической обработкой является закалка с высоким отпуском. Данная термическая обработка обеспечивает хорошую технологичность при изготовлении детали, требуемые свойства и надежность при эксплуатации и хранении изделия вследствие того, что создает благоприятную структуру в стали - структуру зернистого перлита. Эта термическая операция довольно трудоемкая и энергоемкая, требующая двух нагревов, удлиняет технологический процесс изготовления детали. В связи с этим было предложено в качестве предварительной термической обработки перед ротационной вытяжкой использовать нормализацию как более экономичный вид термической обработки.
Нормализация создает структуру пластинчатого перлита. Структуры пластинчатого типа обладают пониженными величинами значений ударной вязкости по сравнению со структурами зернистого типа, так как пластины цементита создают дополнительные концентраторы микронапряжений, способствующие возникновению микротрещины.
Далее приведены результаты экспериментальных исследований по определению вида необходимой предварительной термической обработки для стали 10 при изготовлении осесимметричных корпусных деталей с переменной толщиной стенки из трубных заготовок методом ротационной вытяжки; определена возможность замены закалки с высоким отпуском по действующему техпроцессу на нормализацию.
Исходными заготовками для экспериментальных исследований являлись заготовки из труб 0 325 х 18 мм и длиной 690 мм из стали 10 по ГОСТ 8731-74, подвергнутые калибровке и дальнейшим воздействиям:
1) закалке и отпуску по режиму:
закалка: температура Тзак =940±10 0 С, время выдержки Iвыд = 20...25 мин, нагрев печной, охлаждение в воде;
отпуск: температура Тотп =690±100 С (при проведении отпуска фактическая температура отпуска была выше критической температуры), время выдержки 1выд = 60.65 мин, нагрев печной, охлаждение на воздухе.
2) нормализации по режиму: температура Тнор =910±100 С, время
выдержки 1выд =35 мин, нагрев печной, охлаждение на воздухе.
После предварительной термической обработки заготовки подвергали механической обработке и ротационной вытяжке с различными степенями деформации в соответствии с действующим технологическим процессом:
1) ротационная вытяжка первая со степенью деформации е =40 %;
2) отжиг рекристаллизационный смягчающий (ОРС): температура
Тотж =610.640 ° С, время выдержки 1выд = 30 мин;
3) ротационная вытяжка вторая со степенью деформации е = 50, 70, 80, 85 %.
После ротационной вытяжки трубы подвергали отжигу, уменьшающему внутренние напряжения (ОУН) по режиму: температура
Тотж =330.360° С, время выдержки 1выд = 30 мин.
Экспериментальные работы по ротационной вытяжке проводились на стане СХП-2 по схеме с разделением очага деформации между роликами. Станок оснащен 3-роликовой кареткой с гидравлическим приводом осевого перемещения. В качестве давильных элементов использовались три ролика, расположенные по периметру окружности под углами 120°, диаметрами Б =220 мм, с радиусами закругления ролика г =3 мм; высотой калибрующего пояска Ь =3 мм; с рабочим углом первого ролика
ар1 = 15°; второго и третьего ар2 =ар3 = 30°; с задними углами
аз = 30°. Рабочий инструмент (ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 НЯСэ.
Трубы, обработанные по вышеописанной методике, разрезали на кольца длиной 250 мм. Каждое кольцо было предварительно деформировано на определенную степень деформации. Из колец изготовили по 12 продольных и поперечных образцов по ГОСТ 1497-84 для определения механических свойств в продольном и поперечном направлениях и по 12 поперечных образцов для определения ударной вязкости при температуре
+ 20 (ап+20) и - 50 °С (ап_50). В качестве основных механических характеристик принимались условный предел текучести о0 2, временное сопротивление о в, относительные максимальные удлинения 8 образца. Эти величины вычислялись в соответствии с ГОСТ 1497-84. Образцы для определения механических свойств испытывали на 10-тонной машине «1п-stron - 5882», а для определения ударной вязкости - на маятниковом копре КМ-05. Для определения значений ап _ 50 образцы охлаждали в смеси льда и спирта.
Для исследования микроструктуры стали 10 после закалки с высоким отпуском и нормализации изготовили микрошлифы в плоскости образца, перпендикулярной оси трубы. Для выявления микроструктуры травление образцов проводили в 4 %-ном растворе азотной кислоты в спирте. Микроструктуру исследовали с помощью микроскопов МИМ-8М и КЕОРНОТ2. Механические свойства стали 10 после ротационной вытяжки с различными степенями деформации с предварительной закалкой и высоким отпуском или нормализацией приведены в табл. 2.
50
Таблица 2
Механические свойства стали 10 после ротационной вытяжки с различными степенями деформации и предварительной и окончательной термической обработкой
Предварительная термообработка Степень деформации, е, % Окончательная термообработка Механические свойства
° 0,2 8, % ап
МПа МПа % Кгс.м/мм 2
Попер./ прод. Попер./ прод. Попер./ прод. ап+20/ ап -50
Нормализация Исходное(после нормализации) состояние 412/ 428 263/ 285 42/36,0 16,5/6,9
40 ОРС 415/ 410 300/ 305 31/35,0 7,5/4,9
50 ОУН 637/ 643 617/623 10/14,2 3,0/3,0
70 ОУН 710/ 713 687/ 713 9,2/9,7 2,2/1,9
80 ОУН 712/ 727 690/ 720 -/8,9 1,9/2,1
Закалка и отпуск Исходное (после закалки с отпуском) состояние 438/ 433 290/ 291 38,0/ 33,7 15,7/7,2
40 ОРС 410/ 422 263/ 278 35,0/ 36,0 7,5/5
50 ОУН 663/ 677 -/653 11,7/ 19,8 2,2/2,2
70 ОУН 733/ 737 -/687 6,8/9,8 2,2/1,8
80 ОУН 815/ 803 -/770 4,2/9,7 1,9/2,2
85 ОУН 880/ 847 -/830 5,3/8,0 2,0/1,7
Металлографический анализ стали 10 показал, что после закалки с высоким отпуском микроструктура состоит из зерен феррита 9-го балла по ГОСТ 5639-65, зернистого перлита, расположенного как в стыке зерен, так и по границам зерен и выделений третичного цементита по границам зерен, пластинчатого характера, что свидетельствует о повышении температуры при отпуске выше критической температуры (приблизительно до 750 ° С). Выделения третичного цементита по границам зерен сильно ох-рупчивают сталь. Этим объясняется то обстоятельство, что значения ударной вязкости стали 10 после закалки и отпуска находятся на уровне значений ударной вязкости нормализованной стали 10 (табл. 2). Микроструктура стали 10 после нормализации состоит из зерен феррита 7-го балла по ГОСТ 5639-65 и участков пластинчатого перлита.
Из приведенных данных в табл. 2 можно сделать следующие выводы
1. Механические свойства стали 10 после закалки и высокого отпуска и после нормализации незначительно отличаются по величине значений. Анизотропия механических свойств вдоль и поперек направления проката незначительна (наблюдается лишь небольшая разница в значениях относительного удлинения в продольном и поперечном направлениях).
2. При увеличении степени деформации происходят рост значений условного предела текучести о02 и временного сопротивления ов и падение относительного максимального удлинения 5. У предварительно закаленной и отпущенной стали 10 значения временного сопротивления разрыву ов и предела текучести о о 2 непрерывно повышаются с
увеличением степени деформации. Значения вышеназванных величин у предварительно нормализованной стали 10 растут до 710...720 МПа при степени деформации 70 %, а при дальнейшем ее увеличении остаются на этом же уровне.
Прочностные характеристики стали 10 после предварительной закалки с отпуском и после нормализации при степенях деформации 50, 70 % имеют величины значений одного уровня; при степени деформации 80 % величины ов и о02 на 60.100 МПа выше у предварительно закаленной и отпущенной стали 10.
Относительное максимальное удлинение стали 10 (в продольном направлении) у предварительно закаленной и отпущенной заготовки при степени деформации 50 % на 6 % выше, чем у предварительно нормализованной заготовки. При степенях деформации 70, 80 % значения относительного удлинения находятся на одном уровне.
Значения ударной вязкости закаленной и отпущенной, а также нормализованной стали 10 изменяются незначительно при снижении температуры испытания от + 20 до - 50 ° С при всех исследуемых степенях деформации. В исходных состояниях (без деформации) значения ап+20 приблизительно в два раза превышают значения ап_50 .
3. Различие величин временного сопротивления ов и условного предела текучести о02 вдоль и поперек направления проката незначительно при всех исследуемых степенях деформации. Значения относительного удлинения 5 в продольном направлении заготовки из стали 10, предварительно закаленной и отпущенной при температуре выше критической, в 1,5 - 2 раза выше, чем в поперечном.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания № 2014/227 на выполнение научно-исследовательских работ Министерства образования и науки Российской Федерации на 2014-2020 годы и гранта РФФИ № 13-08-97-518 р_центр_а.
Список литературы
1. Гредитор М.А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.
3. Ковка и штамповка: справочник. Листовая штамповка / под общ. ред. С.С. Яковлева; ред. совет: Е.И. Семенов (пред.) и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2010. 732 с.
4. Трегубов В.И. Ротационная вытяжка с утонением стенки цилиндрических деталей из труб на специализированном оборудовании. Тула: Изд-во ТулГУ, Тульский полиграфист, 2002. 148 с.
5. Яковлев С. С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.
Яковлев Сергей Сергеевич, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трегубов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Осипова Елена Витальевна, асп., mpf-tula@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
FORMATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIAL ITEMS IN ROTARY DRAWING WITH WALL THINNING
S.S. Yakovlev, V.I. Tregubov, E.V. Osipova
The results of experimental studies on the formation of the mechanical properties of the material produced rotationally symmetric parts of spinning on specialized equipment. The influence of process parameters, geometry deforming roller circuit operation of spinning and preliminary and final heat treatment on the formation of the mechanical properties of the material manufactured parts.
Key words: technological parameters of spinning, heat treatment, mandrel roller, tubular billet step submission, the degree of deformation.
Yakovlev Sergey Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tregubov Victor Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Osipova Elena Vitalievna, postgraduate, mpf-tula@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
