CC BY
18
УДК 621.73.001.5.65.011.46
А.Д.Кирицев, Б.С.Каргин, Р.О.Ткачев
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОБЖИМА КОНЦОВ ТРУБ ИЗ СПЛАВА Д16
В современном производстве корпусных заготовок из дюралюминиевых труб (сплав Д16) используются многопереходные операции обжима между которыми производится отжиг, а так же снимается и наносится смазка. Все это, а так же транспортные операции, создает сложный технологический цикл с использованием значительных производственных площадей, оборудования и неоправданными затратами ручного труда.
Изучение напряженно-деформированного состояния при обжиме и анализ исследований выполненных до настоящего времени по различным вопросам этой операции, позволил сделать вывод о возможности значительного совершенствования операции обжима концов труб. В литературе [1] в основном, исследовались и описывались процессы обжима тонких оболочек вращения в конических или сферических матрицах с незначительными степенями деформаций. В этих случаях имеет место решение задач о напряжениях и деформациях, относящихся к плоской схеме напряженно-деформированного состояния с использованием безмоментной теории оболочек вращения . Эти решения позволяли получать более или менее удовлетворительные результаты, на основании которых были разработаны технологические процессы , удовлетворяющие производство.
В связи с расширением использования толстостенных груб в качестве заготовок для деталей машин, и других конструкций, возникли новые вопросы по деформации трубных заготовок. Соотношение диаметров и толщин -этих заготовок не отвечали условиям деформации тонких труб, так как плоское напряженное состояние не соблюдалось в очаге деформации и разработанные ранее решения по деформации тонких оболочек не могли быть приняты.
На основании нового подхода на кафедре КШП I П ТУ разработаны два способа обжима труб, исключающие многопереходный процесс и позволяющие за один переход производить обжим конца труб на любую степень деформации с использованием универсального кузнечно-прессового оборудования.
При первом способе производится обжим в керамической матрице из сверхтвердой керамики (нами использованы матрицы из нитрида кремния) при этом нагрев и обжим происходит одновременно в очаге деформации. Тепло генерируется в заготовке высокочастотным индуктором специальной конструкции навитым на матрицу. Этим способом можно нагревать различные материалы: сталь, алюминий, титан и другие. Скорость нагрева и деформации определяется физическими свойствами нагреваемого материала, мощностью индуктора и скоростью перемещения заготовки. Размеры изделий, ограничены размерами индуктора (рис. 1).
ВТОРОЙ.Этот способ создан как альтернатива первому на основе анализа физических свойств нагреваемого металла и процесса деформации и заключается в предварительном неравномерном быстром нагреве заготовки до заданных температур и последующей деформации в стальном штампе, нагретом до температуры, обеспечивающей сохранения условий для деформа-ции.Этим способом можно деформировать металлы, особенно легкие сплавы,с неограниченной степенью деформации и со скоростями принятыми в машинах кузнечно-штамповочного производства. Нагрев можно обеспечить в многоручьевых индукторах. Но даже при использовании одного индуктора на кривошипном прессе при автоматизации процесса можно получить при двухсменной работе 2,5 млн. изделий в год (рис.2).
{
Риг.1. С непосредственным нагревом в очаге деформации 1- заготовка: 2- матрица: 3- индуктор Принципиальные отличия этих способов обжима от используемых до сих пор в промышленности состоит в том, что деформируемый конец трубы нагрет не равномерно: от края, где степень деформации наибольшая и температура более высокая, температура понижается до заданных значений. Это позволило значительно уменьшить усилия деформации, исключить потерю устойчивости и обеспечить при необходимости неограниченную деформацию вплоть до закрытия полости.
1- заготовка; 2- индуктор; 3- матрица; 4- подогрев матрицы.
Для разработки технологических, электрических и энергосиловых параметров, основанных на анализе теоретических исследований и экспериментальных данных выполнена настоящая работа и были проведены исследования на натурных образцах из стали и сплавов алюминия; труба диаметром 95 мм, толщина стенки 4,5 и 3,5 мм из сплава Д16 и труба диаметром 56 мм из стали ст3, 15Г2С и толщиной стенки 3 и 4 мм.
Полученные после эксперимента данные позволили сравнить их с результатами теоретических исследований и предложить методику для определения технологических и энергосиловых параметров для производства заданного изделия.
УСИЛИЕ ДЕФОРМАЦИИ.
Наиболее целесообразно пользоваться формулой для определения усилия деформации при, рбжиме с неравномерным нагревом, предлагаемой в работе [2], так как других рекомендаций при Бо / Оо >0,02, т>2 - нет.
./> = ?• г, Ф0,
где Бо, Бо - начальная толщина и диаметр заготовки, т=По Юн - коэффициент обжима
\
д - коэффициент, учитывающий условия обжима: коэффициент
обжима, трение, форму очага деформации, распределение температур по очагу деформации, относительную толщину и др.
т8- - касательный предел текучести в месте входа в очаг деформа-
ции.
Фо - площадь начального сечения заготовки.
Эта универсальная формула, полученная теоретически, может быть использована для определения усилия обжима толсто и тонкостенных труб в матрицах любой формы и с любым распределением температуры по очагу деформации при неограниченной степени деформации.
Результаты опыта показали, что значения усилий отличаются от расчетных от 1% - 10%. Это дает возможность рекомендовать ее для использования при обжиме с дифференцированным нагревом труб из различных материалов и большой, относительно, толщиной и большим ( 2) коэффициентом обжима.
Для расчета по этой формуле усилия обжима,необходимо знание функциональной зависимости предела текучести от температуры. Для стали
пользуются зависимостью = сг^ • е~аТ. Для сплава Д16 такой зависимости
не было. На основании анализа графиков зависимости предела текучести от температуры получена зависимость для сплава Д16. (рис.3)
Рис.3. Зависимость предела текучести от температуры нагрева сплава Д16Т
1 - кривая, описываемая уравнением;
2 - график экспериментальной кривой.
ТЕМПЕРАТУРА НАГРЕВА.
Температура нагрева при обжиме определяется в зависимости от коэффициента обжима. Она должна быть возможно низкой, обеспечивающей выполнение операции без потери устойчивости. Кроме этого снижение температуры до расчетных значений позволяет снизить затраты на нагрев и улучшить качество изделия.
Опытами установлено, что оптимальное соотношение между пределами текучести при максимальной и минимальной деформации находиться в следующем соотношении с коэффициентом обжима
а«
ш — 1,3—— •
** х (2)
где аБн, а3к - соответственно начальный и конечный предел текучести, 1,3 - коэффициент.
Минимальное значение температуры деформации при обжиме концов труб для стали 1=600 0 С, для Д161=150° С.
Наиболее высокая температура деформации зависит от коэффициента обжима и толщины стенки заготовки и определяется из зависимости:
д
к- коэффициент, для сплава Д16 (к = 0,7 мм3/кг). По уравнениям 1 и 2 можно, задавшись максимальной температурой, найти минимальную температуру при заданном коэффициенте обжима.
Следует обратить внимание на то,что индукционный нагрев длиться 6-7 секунд и происходит со скоростью 40-60 °С , поэтому процесс нагрева
должен быть автоматизирован, в противном случае не исключен пережог заготовки. Кроме этого допустимо отклонение оси заготовки от оси индуктора не более 1-1,5 мм. Смещение заготовки приведет к резкому перепаду температур по сечению и последующей разностенности изделия. Заготовка должна точно центрироваться в индукторе. При проверке температур нагрева различных зон трубы необходимо учитывать, в связи с большой скоростью нагрева, инерционность термопар и гальванометров.
ТОЛЩИНА СТЕНКИ ПОСЛЕ ОБЖИМА. Утолщение стенки происходит неравномерно по отношению к начальной толщине. Вначале обжима площадь поперечного сечения обжатой части больше исходной, затем происходит как бы осадка трубы, а затем уменьшается -происходит вытяжка. Положение сечения, где площади начального сечения трубы и промежуточного равны, зависит от максимального коэффициента обжима для данного изделия. Утолщение обжатой трубы зависит, главным образом, от коэффициента обжима и состояния процесса; имеет ли место выход в горловину или нет.
^
Для относительно толстых труб (-2- > 0,02 )и неравномерном нагреве
А)
можно пользоваться теоретической формулой [1]. Но эта зависимость хотя и дает удовлетворительные результаты, громоздка, и пользование ею затруднительно.
В конечном счете высота обжатой части приблизительно равна высоте трубы до обжима, но корректируется по опыту.
В обжатых образцах утолщение стенки хорошо согласуется с имеющимися зависимостями при неустановившемся процессе
Коэффициенты А, В, С г являются функциями тта* и определяются по известным зависимостям [2]
кл - коэффициент, учитывающий распределение температур по очагу деформации (к1 = 1,1-с0-17).
При установившемся процессе
£=$Д5-034»и +(0,9^-0,8)- 1-
i ft2»»u-V0
(4)
Толщину стенки по этой зависимости можно получить при любом текущем значении обжима и при потах, если т* под корнем заменить на Штах.
Радиусы скруглений штампа не могут быть меньше естественного радиуса для случая обжима с неравномерным нагревом. Если по чертежу детали предусмотрен радиус меньше естественного, то этот радиус на детали создается путем последующей калибровки.
При входе в очаг деформации
В тех случаях,когда в промышленности используется сплав Д16, перед пластической деформацией сплав отжигают (Д16М), а после придания заданной формы - закаляют (Д16Т). На заводах выпускающих трубы, которые используются при обжиме, стоимость закаленных труб (Д16Т) и отожженных (Д16М) одинакова. Поэтому для разработанного нового техпроцесса обжима используются трубы из сплава Д16Т, что позволяет исключить после обжима закалку обжатых заготовок и тем самым значительно сократить затраты на производство и сэкономить эл.энергию на нагрев под закалку. Кроме этого преимущество использования закаленных заготовок из труб состоит еще и в том, что трубы из сплава Д16М можно обжимать не более, чем с коэффициентом обжима 1,2 так как при больших обжатиях происходит потеря устойчивости - необжатая передающая усилие часть трубы становится бочкообразной. Деформацию при коэффициенте обжима более 1,2 получить невозможно без промежуточных отжигов.
В литературе не удалось найти примера использования труб из сплава Д16Т для пластической деформации, поэтому встал вопрос о качестве обжатых концов в смысле соответствия их требованиям на изделие после пластической деформации и термической обработки (закалка и старение), которую обычно проходит труба из сплава Д16М деформированная и термообработанная.
С этой целью было проведено широкое исследование механических свойств при различных температурах нагрева и охлаждения. В работе исследовано:
1. Прочностные и пластические характеристики сплава Д16 в интервале температур 20 - 475 °С
2. Изменение механических свойств (твердости) при различных скоростях нагрева и охлаждения сплава Д16Т.
3. Определение времени возврата механических свойств в процессе старения при нагреве под закалку с индукционным нагревом до температур в интервале 200 - 450 °С.
По сплаву Д16Т в литературе имеется много сведений, т.к. он широко применяется в промышленности. Поэтому мы, в основном провели исследование тех свойств о которых сведений в литературе нет. Но главной задачей в этом исследовании было: определить можно ли использовать заготовки из сплава Д16Т деформированной в условиях описанных выше без дополнительной обработки в дальнейшем производстве.
Изучено изменение механических свойств (твердости) после нагрева Д16Т в условиях скоростного печного нагрева (скорость нагрева 5-10 градусов в
при выходе
(6)
секунду), с последующим охлаждением на воздухе и в воде , с различным временем подстуживания, имитирующем производственные процессы. На графиках видно изменение механических свойств от времени нагрева и скорости охлаждения. Сделан вывод о том, что после быстрого нагрева до различных температур, от 100° до 450 °С и последующего быстрого охлаждения ( в воде ) и непродолжительного старения происходит возврат свойств к исходному, до. нагрева, состоянию и даже некоторое повышение твердости. Но после более продолжительного естественного старения (до 10 дней) происходит снижение твердости до исходного состояния и в дальнейшем изменение твердости не происходит (рис.4).
75
70
« «С
г <«
£
?
60
\
-
/ ■ ! / > / I - ! 1 . 1
10
го.
30
40 60 Время старения
60 Г
70 ,час
Температура нагрева: I - 350 °С; 2 - 375 СС; 3 - 400 °С; 4 - 425 °С; 5 - 450 °С. Рис.4. Изменение твердости сплава Д16Т, после нагрева и охлаждения водой
Таким образом сделан вывод о том,что деформация закаленной трубы Д16Т при обжиме с дифференцированным нагревом возможна без дополнительной термической обработки. Это имеет очень большое значение так как возможность использования сплава Д16Т, взамен Д16М, с закалкой после изготовления изделия, позволяет значительно сократить производственные затраты и снизить себестоимость продукции.
ВЫВОДЫ
1. Разработан новый технологический процесс обжима труб с относительной £
толщиной — > 0,02, позволяющей производить обжим с большими
А
степенями деформаций.
2. Исследованы параметры процесса. Разработана методика расчета усилий, температур, деформаций, утолщений стенки и др. параметров процесса.
3. Определены условия обжима закаленных труб из сплава Д16Т без последующей термообработки и сохранением свойств исходного материала.
Перечень ссылок
1. Е.А.Попов. Основы теории листовой штамповки.-М.:Машиностроение, 1970.- 278 с.
2. А.Д.Кирицев, В.К.Икорский. Обжим толстостенных труб с неравномерным нагревом
очага деформаций. // Изв. Вузов.Черная металлургия.-1965.- №3. - С. 11-15.
