Определение зависимости качества поковки от температуры вспышки смазки на примере штамповки поршня ДВС из алюминиевого сплава Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Filin Dmitrii Sergeevich, assistant, bgtu_e4@mail. ru, Russia, St-Petersburg, Baltic State Technical University "VOENMEH",

Volzhin Sergei Gennadevich, chief technologist, volzhin@bk.ru, Russia, Tula, OJSC "The Tula cartridge work"

УДК 621.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КАЧЕСТВА ПОКОВКИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВСПЫШКИ СМАЗКИ НА ПРИМЕРЕ ШТАМПОВКИ ПОРШНЯ ДВС ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

М.А. Петров, Т.С. Басюк, А.Н. Петров, П.А. Петров

Рассматривается методика проведения поиска зависимости между физической (температура вспышки смазочного вещества) и субъективной (качество детали) величиной, представленные для процесса горячей изотермической штамповки. Полученные диаграммы нормального распределения средних значений температур показывают, что и при температурах, входящих в интервал 2а, можно получить как качественные, так и бракованные поковки.

Ключевые слова: горячая изотермическая штамповка, температура вспышки смазки, алюминиевые сплавы, качество поковок, поршень ДВС.

Использование смазочных веществ (СВ) в процессах горячей и полугорячей объемной штамповки является неотъемлемой частью техпроцесса. Как правило СВ является композицией на масляной или водной основе. Петровым А.Н. и др. в работах [1 - 4] были исследованы коллоидно-графитовые смазочные вещества и их применение в производственных условиях.

Процесс образования смазочного покрытия сводится к следующему. В идеальном случае при контакте с горячим инструментом основа любого СВ выгорает, и растворенный твердый остаток оседает на рабочую поверхность инструмента в виде равномерного слоя пленки, которая уменьшает трение на контакте «инструмент - заготовка». Снижение трения при контакте микронеровностей на поверхности инструмента (шероховатость) с твердыми частицами, например окалиной либо карбидами, в материале заготовки в процессе ее деформирования уменьшает вероятность развития механизма абразивного износа штампа.

Становится очевидным, что создание смазки с контролируемыми тепловыми параметрами (температура вспышки, горения) является актуальным и, зависит от наносимого объема смазки, геометрии травюры ручья, размеров частиц СВ. На практике при автоматизированном нанесении СВ это решается сменой форсунок распылительного устройства. При ручном нанесении СВ все зависит от опыта штамповщика.

Описание экспериментальной части. Оценку исследуемой зависимости проводили на основании анализа результатов экспериментов по трем сериям. В первой серии применялись четыре смазочных вещества в соответствии с табл. 1. Две другие серии проводились с применением одного типа СВ с целью набора статистических данных по колебанию температуры на рабочей поверхности пуансона при штамповке. Маркировка образцов дана в виде ХХ-Х. Первая цифра обозначает порядковый номер образца, а приведенная через дефис (вторая) определяет номер СВ. Две цифры после дефиса означают совместное (комбинированое) применение СВ. Комбинирование СВ означало, что пуансон и матрица полностью покрываются одним из них.

Таблица 1

Карта нанесения смазочных веществ на образцы первой серии (слева) и карта проведения испытаний (справа)_

Карта нанесения смазки Параметр Номер серии

1-1,2 2-1,2 3-2 4-2 5-1 6-1 Номер смазки 1 2 3

7-1 8-1 9-1 10-1,3 11-1,3 12-3 1 х х х

13-3 14-1 15-1 16-1 17-1 18-1 2 х - -

19-1 20-1 21-1 22-1 23-1,4 24-1,4 3 х - -

25-1 26-1 27-1 28-1 41-1 4 х - -

Деталь «Поршень» для ДВС изготавливается из высокопрочного деформируемого алюминиевого сплава марки АК12Д с высоким содержанием кремния 5. Химический состав данного материала (табл. 2) совпадает с его литейным аналогом АК12, однако обладает большей плотностью, достигнутой прессованием прутка из литейного сплава.

Таблица 2

Процентное содержание химических элементов алюминиевого _сплава АК12Д по ОСТ 92014-90_

А1 Си М8 Мп Ре 81

Основа 1,5...3 0,8...1,3 0,3...0,6 0,5 0,7 11...13

N1 Т1 Сг в 8п РЬ Примеси

0,8...1,3 0,05...0,2 0,2 0,005 0,02 0,1 0,1

Температура вспышки определялась по методу открытого тигля на приборе Лабтех ТВО. Как правило, данный тест проводится для продуктов нефтепереработки по ГОСТ 4333-87 и ИСО 2592:2000, а также для материалов на масляной или водной основе. При испытании определенный объем исследуемого СВ, находящегося в открытой емкости, без защитной атмосферы, нагревается до температуры активного испарения основы и растворенных в ней веществ, при этом через определенные промежутки времени осуществляется поджиг поверхности исследуемого материала. Температурой вспышки Твсп. считается при этом температура первичного кратковременного появления пламени. Контроль температуры осуществляется при помощи термопары погружного типа (тип К).

Изготовление штамповки поршня проводилось по технологии горячей изотермической штамповки в следующем порядке. Заготовка нагревалась в электрической печи сопротивления до температуры 495 °С Далее на зеркало матрицы и рабочую поверхность пуансона ручным способом наносилось смазочное вещество. Деформирование заготовки осуществляли на гидравлическом прессе с характеристиками, представленными в табл. 3. Заготовку устанавливали в матрицу и центрировали по внешней кольцевой поверхности юбочной части матрицы и проводили ее деформирование. После завершения рабочего хода заготовка извлекалась из матрицы при помощи нижнего выталкивателя.

Контроль температуры проводили бесконтактным способом при помощи оптического пирометра, данные по которому приведены в табл. 3. Пирометр располагался на расстоянии 0,5...0,7 метров от поверхности пуансона, которое гарантирует относительную погрешность измерения не выше 5 %. Замеры проводили в момент времени, когда пуансон находился в КИП пресса, до и после проведения деформации заготовки.

Штамповку проводили тремя мелкими сериями по 40(±1) штук поковок, в каждой из которых штамповался определенный типоразмер поршня, влияющий на размер исходной заготовки (табл. 4). Отштампованную серию заготовок очищали от масла и окалины в специальной ванне и контролировали степень очистки заготовки поршня от остатков СВ.

После промывки осуществляли промежуточный контроль геометрических размеров. Далее проводили термообработку по режиму Т6 и контроль твердости. Годные заготовки поршней обрабатывали механически и проводили окончательный контроль геометрических размеров поршня на КИМ. Заготовка считалась браком в случае, если на ней оставалось смазочное вещество после промывки либо твердость материала не соответствовала ТУ после термообработки.

Таблица 3

Технические характеристики оборудования_

Параметр Значение

Гидравлический пресс

Номинальная сила, кН 2.500

Макс. ход траверсы пресса, мм 650

Скорость деформирования, мм/с 2,5

Индуктор

Мощность индуктора, кВт 15

Температура внутри индуктора, °С 495

Оптический пирометр

Диапазон измерений, °С -28...+535

Диапазон ИК волн, мкм 5 ... 14

Коэффициент эмиссии, постоянный 0,95

Время установления, мс 500

Таблица 4

Размеры исходной цилиндрической заготовки_

Параметр Номер серии

1 2 3

D-H, мм 80-61 80-100 80-75

Л7" 3 V, мм 306619,44 502654,82 376991,12

n = Vi/Vi 1 1,64 1,23

Результаты исследований разделены на три группы, объединение которых происходит на основании статистического исследования распределения температур на рабочей поверхности пуансона. Увеличение Твсп. СВ приводит к увеличению количества отдаваемой им теплоты, так как в этом случае СВ требует большей внешней энергии активации для перехода основы СВ в газообразное состояние, а растворенных веществ в зольное состояние. Данный эффект может препятствовать падению температуры на рабочей поверхности пуансона в тот момент, когда он располагается в КИП и находится в активном конвективном теплообмене с окружающей средой.

Для исследованных СВ были получены значения температур вспышки (табл. 5). Несмотря на то, что все смазки представляли собой композиции на основе масел, растворенные и диспергированные в ней вещества влияли на данный показатель. Область полученных значений составляет 310...325 °С, что на 185...170 °С ниже температуры штамповки.

Таблица 5

Полученные экспериментальные значения температуры вспышки исследованных СВ

Номер смазки Т °С х всп. Номер смазки Т °С х всп.

1 310 3 320

2 311 4 325

Опытные серии показали, что при реализованном темпе штамповки интервал изменения температур является неоднозначным, т.к. наблюдаются скачки температуры, вызванные не только моментом проведения замера (до или после штамповки), но и деформированным объемом материала, изменяющимся в зависимости от типоразмера поковки поршня.

На рис. 1 показано распределение температур на рабочей поверхности пуансона до и после штамповки (пунктирные линии), среднее значение температуры (сплошная линия, состоящая из отрезков) и аппроксима-ционная зависимость шестого порядка для средних значений температур.

Дефекты типа недоштамповки, возможной причиной которых было активное образование газовой фазы из жидкой основы СВ, были обнаружены в местах внутренних приливов в некоторых поршнях. Одновременно с этим растворенные активные вещества СВ №4 проникли в поверхностный слой поршня и образовали гальваническую пару, которая является причиной плохой очистки поверхности на этапе промывки. Данный слой может быть удален лишь дополнительной химической очисткой.

3 70

360

350

340

^ 330

С. 320 н

с. 310

ш

С

% 300

н

290 280 270

Рис.

1 t ^ ► I1

1 • I и >Г1ч ♦ 1 ► г

+ 'А1, >1 и ♦ \ У' 1ч* • • 1 1 1 • " 1 >' 1 ► ,1 н и * Л ■ » | /' \ ♦ ♦ 1

' • ч III1 ЧЛ' * 1 м 1 /1\ |/|Д '/' V /' ► ! 1 /IV 2' Р| г* 1 Л / Т /

Ич 1/1

" V И I \ г " 1 Г /) || 1 1 1 ' * Т 1 ♦ 3 ! 1 1 Г ТЬ и И (

* 1 Г; N 1 ¥ \\ н 1 ■ • • 1

1 1 1

<

Распределение значений температуры на поверхности пуансона Средняя температура на поверхности пуансона Аппроксимация средних значений температуры

—

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Номер образца

1. Значения температур на рабочей поверхности пуансона

для первой серии

0,065 0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005

300

А 1 1....................

* Ь

2 • .................1 %

• 1 • *

1 ........\...... у к* ^

\ Г \ 1 1 1 А

} 1 ..................а 4 » 1 1 *

0 .......ф....... д......... ж * 1 \

♦ „ф............ ▼ ч т 1 Ж. *

1 к' 1 А

♦ г ♦ ▲ £ • 1 1 к

♦ 2с 7 1 1 2а ж

| - 2а — V

— 2(7 ¿(7 * ^ А

310

320

330

380

390

400

340 350 360 370 Температура, °С

Рис. 2. Диаграмма нормального распределения температуры на рабочей поверхности пуансона для трех серий (доверительная область, включающая 95,4 % всех значений признака - "2 сигма ")

410

Полученные диаграммы нормального распределения Гаусса на рис. 2 показывают, что при наложении стандарта "2 сигма" происходит выпадение температур для первой серии, которые не соответствуют температурам, при которых были полученны бракованные штамповки. Невключение некоторых значений температур в доверительный интервал наблюдается также и для серий 2 и 3.

Выводы. Проведенные исследования показали, что использование данных по влиянию температуры вспышки Твсп. на качество поковок носит реальный характер, поскольку отражает изменение температуры в зоне деформации, а значит, и влияет на температурный интервал штамповки.

В случае работы на неавтоматизированном участке и реализации невысокого темпа штамповки наблюдаются колебания температуры на рабочей поверхности пуансона (рис. 2). Большие колебания могут быть причиной активной фазы горения СВ с более высокой Твсп (образцы № 23 и 24 первой серии), которая поддерживает температуру инструмента в его КИП. С другой стороны, это может приводить и к бракованным поковкам,

имеющим дефекты, не связанные с течением материала.

Список литературы

1. Петров А.Н., Андрейченко Т.П. Применение коллоидно-графитовых смазочных материалов при горячей обработке металлов давлением, Кузнечно-штамповочное производство // Обработка металлов давлением. №6. 2008. С. 39 - 41

2. Петров А.Н. Выбор оптимальных коллоидно-графитовых смазочных материалов для штампов автоматизированных горячештамповоч-ных линий, Кузнечно-штамповочное производство Обработка металлов давлением. №6. 2012. С. 33 - 34

3. Петров А.Н. Способы нанесения коллоидно-графитовых смазочных материалов на штампы горячего деформирования // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. №7. 2012. С. 41 - 43

4. Petrov A., Petrov P., Petrov M., Research into oil-based colloidal-graphite lubricants for forging of Al-based alloys, // AIP Conference Proceedings 1353. 2011. Pp.1818-1823.

5. Комплексный подход к созданию и организации производства поршней дизельных двигателей из быстрозакристаллизованных заэвтекти-ческих силуминов / А.В. Николаенко [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. № 3. С. 603 - 617.

Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доц., petroffma@,gmail. com, Россия, Москва, Университет машиностроения,

Басюк Тимофей Семарович, канд. техн. наук, научный сотрудник, petroff-ma@gmail.com, Россия, Москва, Университет машиностроения,

Петров Александр Николаевич, д-р техн. наук. alexander_petr@,mail.ru, Россия, Москва, Университет машиностроения,

Петров Павел Александрович, канд. техн. наук, доц., petroffma@,gmailcom, Россия, Москва, Университет машиностроения

TO THE EXPERIMENTAL INVESTIGA TION OF THE INFL UENCE OF THE FLASH POINT OF A LUBRICANT ON THE FORGING'S QUALITY ON THE EXAMPLE

OF THE ALUMINIUM FORGED PISTON FOR COMBUSTION ENGINES

M.A. Petrov, T.S. Basuk, A.N. Petrov, P.A. Petrov

In the paper there was made an attemp to develop an experimental method of phisi-cal (flash point of the lubricant, Tf) and subjective forgings' quality) parameters coupling for isothermal hot forging operation. The quality forgings can be manufactured both by high and low flash point. The increase of Tf value follows to the increase of the released heat amount by the lubricant, because it needs more initial activation energy amount from the external source to initialize transformation of the material from one aggregate state into another (from liquid or solid into gaseous or sol-like). This can prevent the temperature decrease on the punch contact surface at the beginning of the punch stroke due to strong convective heat transfer with the environment. On the other side it can cause the defect building on the forgings, which could not be eliminated during washing operation before mechanical treatment. From the obtained diagrams for the normal distribution of the middle temperature values on the punch contact surface the authors of the paper have concluded that the quality forgings can be produced if the temperatures are inside or even outside of the trusted area of 2 s.

Key words: isotherm hot forging, flash point of a lubricant, aluminium alloys, forgings ' quality, piston for combustion engines

Petrov Mikhail Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, petroffmaagmail. com, Russia, Moscow, University of Engineering,

Basuk Timofey Semarovich, candidate of technical sciences, researcher, alexander petramail. ru, Russia, Moscow, University of Engineering,

Petrov Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical sciences, alexander_petr@mail.ru, Russia, Moscow, University of Engineering,

Petrov Pavel Aleksandrovich, candidate of technical sciences, associate professor, alexander_petr@mail.ru, Russia, Moscow, University of Engineering