CC BY
23
_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.И. Галкин
УДК 621. 73. 079
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-2-48-53
ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Александр Николаевич Петров1, докт. техн. наук, Тафкил Хаматдинович Аюпов2, канд. техн. наук, Светлана Викторовна Мизера3
1 Московский политехнический университет, Москва, Россия, e-mail: alexander_petr@mail.ru 2 ММЗ «Авангард», Москва, Россия, e-mail: ayupov.tafkil@yandex.ru 3ООО «Коллоидно-графитовые препараты», Воскресенск, Россия, e-mail: smizera@mail.ru
Аннотация. Статья посвящена исследованию и выбору смазочного материала для горячей штамповки алюминиевых сплавов АК4-1 и АК6 на кривошипном прессе. Приведены результаты экспериментальных и производственных исследований коллоидно-графитовых смазочных материалов (СМ) на водной и масляной основах. Производственные испытания заготовок из сплавов АК4-1 и АК6 для штамповки поковок разной степени сложности показали, что СМ на масляной основе предпочтительнее СМ на водной основе. Рекомендован СМ на масляной основе марки МС-23М.
Ключевые слова: импортозамещение; алюминиевые сплавы; коллоидно-графитовые смазочные материалы; кривошипный пресс; кольцевые образцы; температура штампа; критерий оценки
Study of Lubricants Intended for Hot Forging of Aluminum Alloys. Dr. of Sci. (Eng.) Alexander N. Petrov1, Cand. of Sci. (Eng.) Tafkil Kh. Ayupov2, Svetlana V. Mizera3
1 Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia, e-mail: alexander_petr@mail.ru
2 Moscow Machine Building Plant «Avangard» (MMZ Avangard), Moscow, Russia, e-mail: ayupov.tafkil@yandex.ru
3 Colloid-graphite compounds, LLC, Voskresensk, Russia, e-mail: smizera@mail.ru
Abstract. This article deals with the research and selection of lubricants for hot forging of AK4-1 and AK6 aluminium alloys on a crank press. The results of experimental and industrial studies of colloidal graphite lubricants based on water and on oil are presented. Production tests of AK4-1 and AK6 alloy billets to make forgings of varying degrees of complexity showed that the oil-based lubricants are preferable to the water-based ones. Oil-based lubricant of MS-23M trade mark is recommended.
Keywords: import substitution; Al-based alloys; colloidal graphite lubricants; crank press; ring-shaped specimens; die temperature; evaluation criterion
Введение
Эффективность технологических процессов в кузнечно-штамповочном производстве в значительной степени зависит от правильного выбора технологических смазочных материалов (СМ). Изыскание новых эффективных
смазочных материалов для процессов горячего деформирования металлов и сплавов было и будет одной из приоритетных задач в разработке новых технологических процессов обработки материалов давлением. Заготовительное (кузнечно-штамповочное) производство -это основа любого предприятия. Экономия
материалов и энергетических ресурсов зависит от технического уровня оснащения и, как следствие, от существующих технологических процессов. В условиях обновления кузнеч-но-штамповочного производства техническое развитие отечественной промышленности на основе создания и внедрения ресурсосберегающих, экологически безопасных промышленных технологий позволяет производить конкурентоспособную наукоемкую продукцию.
Смазочные материалы способствуют не только снижению трения, уменьшению износа штампа и повышению его стойкости, но и снижению трудоемкости последующей механической обработки, снижению себестоимости продукции, улучшению экологии. Появление новых видов смазочных материалов требует и новых подходов к их оценке и оптимальному выбору применительно к конкретным условиям производства.
Под словом «оптимальный» надо понимать смазочный материал, который обеспечивает стабильную работу линии (участка), высокую стойкость штампов, снижает уровень брака, снижает себестоимость продукции и улучшает экологическую среду. Решение задачи выбора оптимального состава смазочного материала должно охватывать, с одной стороны, исследования физико-химических и технологических свойств материала при повышенных температурах, а с другой, устанавливать закономерности стойкости штампов от параметров, влияющих на процесс горячего деформирования. Выбор режимов и способов нанесения смазочных материалов на инструмент (заготовку) должен обеспечивать работу штампов в диапазоне температур, позволяющих получить ожидаемую стойкость штампов [1].
На протяжении многих лет и десятилетий в кузнечно-штамповочном производстве применяют коллоидно-графитовые СМ на водной и масляной основах [1-9]. Правильный выбор состава смазочной композиции, включающей в себя тип графита, дисперсность и форму частиц графита, процентное содержание в композиции, различные присадки и стабильный состав композиции, в конечном итоге существенно влияет на непрерывность технологического процесса, износ и стойкость штампов, качество поковок и себестоимость изделия.
В настоящее время в связи с отсутствием на рынке смазочных материалов, например «Укринол-7», поставляемых из стран СНГ, многие российские предприятия перешли на СМ, применяемые в 60-х гг. прошлого века: обычные графитомасляные суспензии, приготовляемые в цеховых условиях. Недостатки таких СМ известны: нестабильный состав суспензии, крупнодисперсный графит, неправильно выбранное масло. Как итог -плохое качество поковок, плохая экология, невысокая стойкость штампов, высокие материальные затраты на штамповый инструмент и высокая себестоимость поковок [1].
В статье представлены результаты исследования и выбора СМ для горячей штамповки поковок высокой степени сложности, изготовленных из алюминиевых сплавов АК4-1 и АК6.
Цель работы - импортозамещение смазочного материала для штамповки алюминиевых сплавов АК4-1 и АК-6, обеспечение стабильности технологического процесса (отсутствие «залипания» поковок в штампе), улучшение экологической среды в зоне штамповки и повышение качества поковок.
Для достижения поставленной цели исследовали коллоидно-графитовые СМ на водной и масляной основах марок ВКГСО-М, ПСВ-М, МС-23 и МС-23М.
Смазочные материалы разработаны ООО «Коллоидно-графитовые препараты» (г. Вос-кресенск, Московская область).
ВКГСО-М представляет собой водную суспензию высокодисперсного графита, стабилизированную поверхностно-активными веществами. Концентрат разбавляется водой в зависимости от степени сложности поковок. Предназначен для горячей штамповки, высадки, протяжки и волочения особо тонкой проволоки диаметром менее 0,1мм.
В зависимости от технологии обработки металлов давлением (штамповка, волочение) смазочный материал наносится на штамп или заготовку. Способ нанесения на штамп - распыление с помощью ручных или автоматизированных устройств. Средняя оптимальная температура поверхности штампа 150-155 °С. Способ нанесения на заготовку - распыление в специальной ванне или окунание для получения на поверхности защитного покрытия.
Характеристики смазочных материалов ВКГСО-М и ПСВ-М Таблица 1
Марка смазочного материала Массовая доля сухого остатка, %, не менее Массовая доля золы, %, не более Плотность при 20 °С, кг/м3 рН Стабильность за 3 ч, %
ВКГСО-М 30,4 10,9 1213 9,8 85
ПСВ-М 30,5 н/д 1193 8,7 Н/д
ПСВ-М представляет собой водную суспензию высокодисперсного графита без запаха аммиака с пленкообразующими и стабилизирующими присадками. Предназначен для горячей обработки металлов давлением алюминиевых сплавов и волочения тугоплавких металлов. В табл. 1 приведены характеристики ВКГСО-М и ПСВ-М.
МС-23 представляет собой суспензию мелкодисперсного термографита в минеральном масле с термостойкой добавкой, МС-23М -это суспензия мелкодисперсного природного графита в минеральном масле с термостойкой добавкой. И тот, и другой смазочный материал применяют для горячего прессования алюминиевых сплавов и других материалов.
СМ наносят на штамп помазком. Средняя оптимальная температура поверхности штампа 180 - 190 °С. В табл. 2 приведены основные показатели МС-23 и МС-23М.
Технологические свойства исследуемых СМ определяли методом осадки кольцевых
Таблица 2 Основные показатели смазочных материалов МС-23 и МС-23М
Марка смазочного материала Температура вспышки базового масла, °С Смазывающие свойства, определяемые на четырехшариковой машине трения, показатель износа Ои, мм
МС-23 309 0,9
МС-23М 309 0,9
образцов [1, 7]. Кольцевые образцы из алюминиевого сплава АК6 с соотношением размеров 6:3:2 (40^20x14 мм) осаживали на кривошипном прессе усилием 20,0 МН с деформацией 150 % (рис. 1). Образцы нагревали в карусельной электрической печи до 470 °С. Температуру поверхности штамповых плит контролировали инфракрасным пирометром TemPro-1600 ADA.
►С
.Ми
I ¿121
RfV '
ЗяВ
SB ' f
б
Рис.1. Осадка кольцевых образцов:
а - пресс 1_1_К2000 усилием 20,0 МН; б - образцы после осадки
Результаты экспериментальных исследований Таблица 3
Номер Смазка Средний размер образца после осадки, мм Деформа- Температура штампа, °С
образца Dср С'ср ция 8, % начало конец средняя
1 МС-23М 54,3 16,1 6.1 56 190 181 186
2 МС-23 53,3 15,0 6,2 56 181 176 179
0 ВКГСО-М 54.7 15,1 6,2 56 147 140 144
Е ПСВ-М 54,4 13,8 6,1 56 147 135 141
Результаты осадки кольцевых образцов приведены в табл.3.
Производственные испытания СМ проводили на двух изделиях (табл. 4).
Штамповку кронштейна выполняли на кривошипном прессе усилием 20,0 МН согласно действующему технологическому процессу. Заготовки нагревали в электрической карусельной печи до 470 °С; температура печи 475 °С. Штамп из стали 5ХНМ, твердость ИКС 42-45, предварительно подогревали до 155-170 °С. Температуру поверхности штампа контролировали инфракрасным пирометром ТетРго-1600.
Смазочный материал на водной основе ВКГСО-М и ПСВ-М наносили на штамп с помощью распылительного пистолета после каждого хода пресса; продолжительность нанесения смазочного материала составляла 2-3 с. Смазочные материалы МС-23 и МС-23М наносили помазком аналогично действующему технологическому процессу.
Критерии оценки смазочного материала:
- отсутствие залипания поковок в штампе;
- заполнение гравюры штампа;
- соответствие геометрических размеров поковки требованиям технической документации;
- термостабилизация температуры поверхности штампа;
- уменьшение или отсутствие задымленно-сти в рабочей зоне пресса.
Обрезку облоя после штамповки осуществляли на кривошипном прессе усилием 2,0 МН. Калибровку поковки и обрезку облоя выполняли на штамповочном прессе усилием 20,0 МН и 2,0 МН, соответственно, по режимам, аналогичным для штамповки.
После штамповки и калибровки поковки травили в два этапа для удаления поверхностных
Таблица 4 Параметры поковок
Изделие Материал Масса поковки, кг Размер заготовки D х H, мм
Кронштейн АК6 0,49 50 х 128
Лопасть АК4-1 0,730-0,757 70 х 74+2
загрязнений по технологии: обезжиривание -травление - промывка в холодной воде + промывка в теплой воде - осветление - промывка в теплой воде + промывка в холодной воде -травление - промывка в холодной воде + промывка в теплой воде - осветление - промывка в теплой воде + промывка в холодной воде.
Время травления на каждом этапе составляло 1 мин, температура раствора 80 °С.
Согласно действующей технологии после травления наличия на поверхности следов графита и других загрязнений не допускается. На рис. 2 показаны кронштейны после травления.
Штамповку заготовок изделия лопасть выполняли на кривошипном прессе ЬЬК2000 усилием 20,0 МН в четыре операции по дей-
Рис. 2. Кронштейны после штамповки, калибровки и травления
Таблица 5 Результаты исследований / испытаний СМ
Смазочный материал Результат
МС-23 и МС-23М 1. Отсутствие «залипания» в штампе 2. Отсутствие геометрических отклонений от технической документации 3. Меньше трение на поверхности «заготовка-штамп» 4. Температура поверхности штампа 189 1 Т1 157 °С 5. Задымленность рабочей зоны меньше по сравнению с базовым СМ: суспензия минерального масла и крупнодисперсного графита марки ГЛ-1 6. На травлении замечаний не выявлено, остатков графита на поверхности не обнаружено
ВКГСО-М и ПСВ-М 1. Отсутствие «залипания» в штампе 2. Наблюдали отклонение геометрических размеров по высоте И на кронштейнах 3. На лопастях наблюдали незаполнения в пределах допуска на последней операции штамповки (четвертая штамповка) 4. Температура поверхности штампов на водных смазочных материалах 1501 Т 1 145 °С 5. В процессе штамповки наблюдали падение температуры поверхности штампов до 135 °С 6. Задымленность в рабочей зоне отсутствует 7. На травлении замечаний не выявлено, остатков графита на поверхности не обнаружено
ствующей технологии. На первой операции штамповки исходную заготовку предварительно осаживали в торец до высоты И = 33 мм. После каждой штамповки облой обрезали на эксцентриковом прессе усилием 4,0 МН модели К9536. Заготовки нагревали в карусельной электрической печи до 470 °С; материал штампа 5ХНМ, твердость ИКС 42-45.
Смазочные материалы на водной основе ПСВ-М и ВКГСО-М наносили на штамп распылительным устройством (пистолетом) в течение 2-3 с. Масляные суспензии МС-23 и МС-23М наносили помазком.
Травление выполняли по технологии и режимам, аналогичным для изделия кронштейн. На рис. 3 показаны поковки лопастей после травления.
Результаты исследования и производственных испытаний приведены в табл. 5.
В условиях производства с объемом менее 2000 штук поковок в смену и с интервалом штамповки более 15 с целесообразно применять смазочные материалы на масляной основе. Эти материалы обеспечивают выполнение всех критериев, перечисленных выше, для двух наименований изделий разной степени сложности.
На завершающем этапе работы, провели испытания смазочных материалов на масляной основе МС-23 и МС-23М для подтверждения полученных результатов. В процессе
Рис. 3. Лопасти после калибровки, обрезки и травления
Рис. 4. Поковки изделия лопасть после всех операций технологического процесса
испытаний МС-23 и МС-23М* сравнивали с базовой смазочной композицией: суспензия минерального масла КС-19 и крупночешуйчатого графита марки ГЛ-1 с дисперсностью 1160 мкм в соотношении 1:1.
На рис. 4 показаны поковки изделия лопасть после всех операций согласно технической документации. Замечаний по геометрическим размерам и качеству не выявлено. Поковки соответствуют всем требованиям
*Дисперсность графита в МС-23 и МС-23М не более 15 мкм.
технологического процесса. Закоксованности штампа графитом не наблюдали.
Заключение
Теоретические и экспериментальные результаты исследований смазочных материалов на масляной и водной основах показали, что смазочный материал МС-23М (масляная суспензия) по составу, типу графита и дисперсности обладает лучшими свойствами и может быть рекомендован для горячей штамповки изделий из алюминиевых сплавов марки АК4-1 и АК6.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров А.Н. Коллоидно-графитовые смазочные материалы в процессах обработки металлов давлением. М.: Московский Политех, 2019. 216 с.
2. Петров А.Н., Андрейченко Т.П. Применение коллоидно-графитовых смазочных материалов при горячей обработке металлов давлением // Куз-нечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2008. № 6. С. 39-41.
3. Петров А.Н. Комплексная оценка свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов для процессов горячего деформирования металлов и сплавов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2011. № 10. С.45-48.
4. Петров А.Н. Исследование коллоидно-графитового смазочного материала на масляной основе // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2012. № 4. С. 38-40.
5. Петров А.Н., Петров П.А., Петров М.А. Research into water-based colloidal-graphite lubricants for forging of carbon steels and Ni-based alloys // Inter-
national Journal of Material Forming. 2010. Vol. 3. Suppl 1. P. 311-314.
6. Петров А.Н., Петров П.А., Петров М.А. Research into oil-based colloidal-graphite lubricants for forging of Al-based alloys //AIP Conference Proceedings. 1353. 2011. P. 1818-1823
7. Петров А.Н., Петров П.А., Петров М.А. Теория обработки металлов давлением: штампы, износ и смазочные материалы: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во Юрайт, 2020. 130 с.
8. Петров А.Н., Петров П.А., Петров М.А. Применение электровинтовых прессов и гидравлических молотов в технологических процессах горячего деформирования: Учебное пособие. М.: Московский Политех, 2021. Электронное издание.
9. Петров А.Н., Петров П.А., Петров М.А. Инновационные решения в области обработки металлов давлением: Учебное пособие. М.: Московский Политех, 2018. 136 с.
REFERENCES
1. Petrov A.N. Kolloidno-grafitovyye smazochnyye ma-terialy v protsessakh obrabotki metallov davleniyem. M.: Moskovskiy Politekh, 2019. 216 s.
2. Petrov A.N., Andreychenko T.P. Primeneniye kol-loidno-grafitovykh smazochnykh materialov pri gorya-chey obrabotke metallov davleniyem // Kuznechno-shtampovochnoye proizvodstvo. Obrabotka metallov davleniyem. 2008. № 6. S. 39-41.
3. Petrov A.N. Kompleksnaya otsenka svoystv kol-loidno-grafitovykh smazochnykh materialov dlya protsessov goryachego deformirovaniya metallov i splavov // Kuznechno-shtampovochnoye proizvodstvo. Obrabotka metallov davleniyem. 2011. № 10. S. 45-48.
4. Petrov A.N. Issledovaniye kolloidno-grafitovogo smazochnogo materiala na maslyanoy osnove // Kuznechno-shtampovochnoye proizvodstvo. Ob-rabotka metallov davleniyem. 2012. № 4. S. 38-40.
5. Petrov A.N., Petrov P.A., Petrov M.A. Research into water-based colloidal-graphite lubricants for forging
of carbon steels and Ni-based alloys // International Journal of Material Forming. 2010. Vol. 3. Suppl 1. P. 311-314.
6. Petrov A.N., Petrov P.A., Petrov M.A. Research into oil-based colloidal-graphite lubricants for forging of Al-based alloys // AIP Conference Proceedings. 1353. 2011. P. 1818-1823.
7. Petrov A.N., Petrov P.A., Petrov M.A. Teoriya obrabotki metallov davleniyem: shtampy, iznos i smazochnyye materialy: Uchebnoye posobiye dlya vuzov. 2-ye izd., ispr. i dop. M.: Izd-vo Yurayt, 2020. 130 s.
8. Petrov A.N., Petrov P.A., Petrov M.A. Primeneniye elektrovintovykh pressov i gidravlicheskikh molotov v tekhnologicheskikh protsessakh goryachego deformirovaniya: Uchebnoye posobiye. M.: Moskovskiy Politekh, 2021. Elektronnoye izdaniye.
9. Petrov A.N., Petrov P.A., Petrov M.A. Innovatsion-nyye resheniya v oblasti obrabotki metallov davle-niyem: Uchebnoye posobiye. M.: Moskovskiy Politekh, 2018. 136 s.
