CC BY
37
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.73.043: 621.365.511
Поддержание равномерной температуры деформации электроконтактным нагревом при осуществлении изотермической штамповки
В. В. Громов
Ключевые слова: изотермическая штамповка, контактное электрическое сопротивление, электроконтактный нагрев.
Введение
Изотермическое деформирование имеет ряд преимуществ перед традиционными способами горячей штамповки с помощью штампово-го инструмента, имеющего температуру ниже температуры пластической деформации заготовки. Изотермическое деформирование позволяет повысить точность штамповок, в том числе сложной формы, с тонкими полотнами и ребрами, выступами и полостями, резкими перепадами сечений и другими элементами, характеризующимися большим отношением площади поверхности к объему, получение которых при обычных методах формоизменения затруднено или невозможно. Высокая точность заготовок позволяет проводить последующую механическую обработку в меньшем объеме, а в ряде случаев и совсем отказаться от нее.
Несмотря на все положительные аспекты, изотермическая штамповка не получила широкого развития. Главной причиной заключается в больших затратах энергии на нагрев и последующее поддержание высокой температуры штампового инструмента. Нагрев штам-пового инструмента осуществляется либо индукторами, либо устройствами, передающими тепловую энергию от внешних элементов ре-зисторного сопротивления [1]. Опорные плиты приходится охлаждать водой. Мощности нагревательных устройств могут составлять десятки киловатт. Кроме того, оборудование для нагрева штампового инструмента имеет большие габариты, а следовательно, для изотермической штамповки нужны специализированные прессы.
Решением проблемы высокой энергозатратности изотермической штамповки может стать технология, в соответствии с которой тепловые потери в период осуществления деформации компенсируются за счет энергии, выделяемой
при протекании электрического тока через поверхность заготовки и формоизменяющего инструмента. Если поддерживать только температуру самой заготовки в установленном интервале, то тепловые потери на излучение уменьшаются пропорционально отношению площади заготовки к площади всего штампового инструмента. При этом средняя температура формоизменяющего инструмента будет существенно ниже, чем в тех случаях, когда производится нагрев всего штампа.
Температура образца, подвергаемого деформации в сочетании с электроконтактным нагревом, зависит от целого ряда факторов. К ним относятся:
• Энергия, выделяемая внутри и на поверхности заготовки вследствие перехода механической работы деформации в тепловую энергию. Этот параметр зависит от скоростей деформации в различных точках образца, коэффициента трения между формоизменяющим инструментом и заготовкой, а также от предела текучести деформируемого металла.
• Тепловая энергия, выделяющаяся при протекании электрического тока через заготовку. Затрачиваемая мощность определяется формулой Р = I2R, где I — сила тока; R — электрическое сопротивление.
При этом плотность тока в объеме деформируемого образца сложной формы распределяется неравномерно. Электрическое сопротивление зависит от формы заготовки и удельного электрического сопротивления материала образца при определенной температуре. Кроме того, электрическое сопротивление в местах контакта заготовки с формоизменяющим инструментом может быть сопоставимо с сопротивлением в остальных элементах электрической цепи. Этот параметр зависит от площади контакта, давления в месте контакта, состава и толщины оксидных пленок на поверхности заготовки и деформирующего инструмента,
состава и толщины смазки, а также от химического состава материалов заготовки и формоизменяющего инструмента.
• Факторы, определяющие теплопотери вследствие излучения, конвекции и теплопроводности. Мощность излучения определяется по закону Стефана-Больцмана
pи = 5,67 • 10-8еТ4,
с нагревом образца из алюминиевого сплава протекающим через него управляемым электрическим током. При этом удалось получить изделие из цилиндрической заготовки за один переход, микроструктура обеспечивала повышенные механические свойства зубчатого колеса. Исследования зарубежных ученых подтверждают актуальность рассматриваемой проблемы.
где е — коэффициент излучения нагретой поверхности; Т — температура нагретого тела, К.
Потери вследствие конвекции зависят от температуры воздуха, направленности и турбулентности потока, формы и ориентации тела в пространстве. Потери, обусловленные теплопроводностью, зависят от температур, удельной теплопроводности, формы заготовки и формоизменяющего инструмента, площади контакта.
Таким образом, температура заготовки зависит от многих факторов, неравномерно воздействующих и изменяющихся в процессе деформации. Как следствие, выделяемая тепловая энергия неравномерно распределяется в объеме заготовки. Однако на конечной стадии формоизменения площадь контакта заготовки с формоизменяющим инструментом становится максимальной. Следовательно, основными факторами, влияющими на температуру заготовки, будут теплопотери вследствие теплопроводности и резистивный нагрев в месте контакта. Предполагается, что тепловые потери можно компенсировать за счет энергии, выделяющейся при протекании электрического тока через поверхность заготовки.
Среди всех рассмотренных факторов, влияющих на температуру заготовки в процессе деформации, совмещенной с нагревом электрическим током, определение параметров контактного сопротивления представляет наибольшую трудность. Контактное сопротивление зависит от состава и толщины оксидной и смазывающей пленок, давления на контактирующих поверхностях, а также от химического состава заготовки и формоизменяющего инструмента. В литературе нет данных о влиянии всех вышеперечисленных факторов на контактное сопротивление. Это предполагает опытный характер изучения процесса изотермического деформирования в сочетании с контактным нагревом.
Исследования изотермической штамповки, совмещенной с контактным нагревом, впервые были представлены японскими учеными С. Маки, Х. Шибата, К. Мори и др. на 8-й международной конференции в Вероне в 2005 году [2]. Для получения зубчатого колеса применялась схема деформации
Результаты исследования
Для определения воздействия различных факторов, влияющих на температуру заготовки при ее деформации, сопровождаемой электроконтактным нагревом, был проведен ряд экспериментов на испытательном комплексе Gleeble 3800 (Dynamic Systems Inc.). Данное оборудование позволяет подвергать образцы регулируемым нагрузкам различных видов: сжимающим, растягивающим и крутящим. Одновременно заготовки можно нагревать за счет протекающего через их поверхность переменного электрического тока частотой 50 Гц. Энергия, расходуемая на нагрев, регулируется, что позволяет контролировать скорость нагрева и охлаждения исследуемого образца. При этом можно вести наблюдение за температурными параметрами с помощью точечных термопар в четырех точках на поверхности заготовки.
В первом эксперименте осуществлялся нагрев цилиндрического образца, покрытого слоем окалины и последующая осадка (рис. 1). Цель эксперимента — определение температуры в различных точках на боковой поверхности заготовки в процессе предварительного нагрева (для определения уровня контактного сопротивления), а также в ходе последующей осадки.
Рис. 1. Образец 1, установленный на испытательном комплексе Gleeble 3800
№ 4 (58)/2010
19
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Нагрузка 5
Напряжение Л ¿с 220 В 50 Гц
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 — формоизменяющий инструмент (бойки); 2 — образец, подвергаемый испытанию; 3 — термопара, установленная в середине боковой поверхности образца; 4 — термопара, установленная на боковой поверхности образца на расстоянии 2 мм от торца; 5 — области активного тепловыделения; 6 — понижающий трансформатор; 7 — симистор; 8 — блок управления и записи информации испытательного комплекса; АС — переменное напряжение
Образец из стали 20 длиной 35 мм и диаметром 14,5 мм (образец 1) был помещен в электропечь с температурой в рабочей зоне 1200 °С на 15 мин. За это время на поверхности заготовки образовался слой окалины. Точечные термопары были размещены на боковой поверхности в следующем порядке: первая прикреплена на расстоянии 2 мм от торца (точка 1), вторая — на расстоянии 17,5 мм (точка 2). Между формоизменяющим инструментом (бойками) и заготовкой помещены пластины из молибдена в целях предотвращения возможной диффузионной сварки между образцом и бойками, изготовленными из твердого сплава. Контактные поверхности пластины и торцы образца были покрыты смазкой на основе никеля и графита, обеспечивающей смазывающий эффект при условии, что температура не превышала 1450 °С. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Образец нагревался и после достижения температуры 1000 °С в точке 1, подаваемая электроэнергия уменьшалась до уровня, обеспечивающего постоянную температуру в данной точке. При этом давление, приложенное на торцах заготовки, поддерживалось на уровне 17 МПа. После того как температура точки 2 достигла 1000 °С, начиналась осадка образца. Процессы нагрева и деформации осуществлялись автоматически, по заранее заданной программе. Полученные результаты зависимостей температуры в точках 1 и 2 представлены на рис. 3. Как показано на графиках, отражающих изменения температуры термопар, нагрев на начальном
100 150
Время, с
250
Рис. 3. Графики изменения температуры в точках 1, 2 образца 1:
1 — температура в точке 1; 2 — температура в точке 2; 3 — временной интервал, в течение которого проводилась осадка образца
этапе в точке, расположенной ближе к торцу, идет быстрее, чем в середине боковой стороны образца. В точке 2 температура достигла 1000 °С через 33 с после достижения этого уровня в точке 1. Затем была произведена осадка со скоростью 0,3 мм/с. За все время деформации разность температур между точками 1 и 2 не превышала 10 °С.
Данный опыт позволяет сделать следующие выводы:
• Возможно поддержание равномерной температуры во всем объеме стальной заготовки в процессе деформации при компенсации тепловых потерь энергией переменного электрического тока, протекающего через формоизменяющий инструмент и заготовку.
• Температура в середине образующей повышается преимущественно за счет теплопередачи от торцов. Это доказывает, что электросопротивление в зоне контакта бойков с поверхностью заготовки, покрытой слоем окалины, сравнимо с электросопротивлением самого образца.
• Можно управлять скоростью охлаждения деформированного образца, это позволяет использовать представленный способ изотермической штамповки в процессах термомеханической обработки.
Следующий эксперимент был проведен для проверки влияния переходного сопротивления на температуру поверхности исследуемого образца в зависимости от ряда факторов, к которым относятся:
• наличие или отсутствие на поверхности контакта окалины;
• уровень давления в зоне контакта между заготовкой и формоизменяющим инструментом.
7
Для проведения эксперимента был выбран цилиндрический образец длиной 88,4 мм и диаметром 14,5 мм. Материал заготовки — сталь 20 (образец 2). Слой окалины на поверхности заготовки был получен путем нагрева в печи. Поверхность одного торца была прошлифована для снятия окалины. Это позволило определить, как влияет наличие окалины и ее отсутствие на электропроводность в зоне контакта, поскольку сила тока, протекающего через оба торца заготовки, в данном случае была одинаковой. Точечные термопары были закреплены на разных расстояниях:
• 2 мм от торца с окалиной на боковой поверхности (точка 1);
• 22 мм от торца, покрытого окалиной (точка 2);
• в центре образующей (точка 3);
• 2 мм от шлифованного торца (точка 4).
Между формоизменяющим инструментом
и заготовкой расположили пластины. Контактные поверхности пластин и торцы образца были покрыты смазкой. Нагрев и последующее охлаждение проводились дважды, с разным давлением, приложенным к торцам образца. На первом этапе эксперимента давление поддерживалось на уровне 5,7 МПа. После достижения температуры 1000 °С в точке 1 подаваемая электроэнергия уменьшалась до уровня, обеспечивающего постоянную температуру в этой точке. Полученные результаты представлены на рис. 4. Температурная кривая в точке 1 показывает, что температура 1000 °С достигается за 26 с. После того как включался режим поддержания данной температуры в течение 60 с в точке 1, температура в точке 4 стабилизировалась на уровне 850-860 °С. В точках 2 и 3 температура
1000800-
&600-
I а
! 400-
I
200-
100 200 300 400 Время, с
500
600
Рис. 4. Графики изменения температуры в точках 1-4 образца 2:
1 — температура в точке 1; 2 — температура в точке 2; 3 — температура в точке 3; 4 — температура в точке 4
все это время продолжала увеличиваться и достигла максимальных температур 730 и 636 °С соответственно. При охлаждении температура падала существенно быстрее в точках 1 и 4, чем в точках 2 и 3, вследствие теплопередачи тепловой энергии водоохлаждаемым бойкам.
На втором этапе эксперимента давление было установлено на уровне 22,7 МПа. Температура в точке 1 достигла 1000 °С за 20 с. График изменения температуры в точке 4 имел такую же динамику, как и в предыдущем случае, но стабилизировался на более высоком уровне — 835-845 °С. Графики изменения температур в точках 2 и 3 показали аналогичный рост, но на максимуме имели более высокие значения — 817 и 709 °С соответственно.
Проведенный эксперимент позволяет сделать выводы:
• Электрическое сопротивление на контактной поверхности, покрытой окалиной, превышает электросопротивление на чистой шлифованной поверхности, так как температура в точке 1 в период поддержания термически стабильного режима была выше, чем в точке 4.
• Увеличение давления ведет к снижению электрического сопротивления и увеличению теплопередачи через контактные поверхности, так как максимумы кривых, отражающих изменение температуры на втором этапе эксперимента в точках 2 и 3, выше, а точки 4 ниже, чем на первом этапе эксперимента.
Был проведен ряд других экспериментов, в том числе с заготовкой из алюминия, они позволили сделать несколько обобщающих выводов. Во-первых, при деформации заготовки из стали с окалиной на поверхности формоизменяющим инструментом, изготовленным из штамповой стали, не происходит диффузионного сваривания, тогда как при деформации стальных образцов данное явление наблюдается на бойках из твердосплавных материалов. Во-вторых, наличие смазки, используемой при проведении экспериментов, существенно не влияет на параметры электросопротивления в зоне контакта.
На основании экспериментальных данных были проведены расчеты, которые показали, что мощности, расходуемые на поддержание температуры 1000 °С у образца 1, не превосходят 500 Вт, а для нагрева и поддержания температуры штампового инструмента в пределах 1000 °С потребовалась бы мощность, оцениваемая на уровне нескольких киловатт.
Выводы
Доказана принципиальная возможность осуществления изотермического деформирования,
0
при котором поддержание необходимой температуры штамповки в заданных пределах осуществляется за счет протекающего через контактную поверхность между заготовкой и штампом переменного электрического тока.
Изотермическая штамповка, совмещенная с контактным нагревом, позволяет многократно снизить мощности нагревательных устройств и расходуемую электроэнергию на поддержание равномерного температурного поля в заготовке по сравнению со способами, в которых производится нагрев штампо-вого инструмента.
В представленном способе изотермического деформирования имеется возможность управ-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
лять изменением температуры деформируемой заготовки. Это позволяет влиять на структуру металла изделия.
Литература
1. Яковлев С. П., Чудин В. Н., Яковлев С. С. и др.
Изотермическое деформирование высокопрочных анизотропных металлов. М.; Машиностроение-1; Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 427 с.
2. Maki S., Shibata Н., Mori К. et al. Influence of input heat on microstructure in mushy state forging of A357 aluminum alloy using resistance heating // Proc. 8th International conference on technology of plasticity. Verona, 2005. P. 385-386.
