CC BY
3
УДК 621.77.016.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-298-299
РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ДЛЯ ПРОЦЕССА УШИРЯЮЩЕЙ
ЭКСТРУЗИИ ПРУЖИННОЙ ПРОВОЛОКИ
П.А. Ермоленков, Э.Э. Агамирова, О.Н. Мирзаев, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, Р.Р. Загидуллин
Проведен анализ условий эксплуатации штампового инструмента, применяемого в производстве способов обеспечения прочности изделий. Выполнено компьютерное моделирование методом конечных элементов процессов продольного прямого выдавливания и уширяющей экструзии. Полученные данные дают представление об основных особенностях протекания процессов, параметрах напряженно-деформированного состояния, степенях деформации, удельных нагрузках и др. Разработана и изготовлена специальная технологическая оснастка для процессов продольного прямого выдавливания и уширяющей экструзии. Проведено экспериментальное исследование влияния термообработки на механические свойства стали КТ-2 предварительно деформированной в специальной технологической оснастке. Были определены оптимальные режимы термообработки, при которых микроструктура принимает более равноосный характер и повышается прочность проволоки.
Ключевые слова: рессорно-пружинная сталь марки КТ-2, уширяющая экструзия, штамп, продольное выдавливание, деформационно-термическая обработка.
Разнообразная номенклатура пружинных материалов широко используются в приборостроении благодаря своим уникальным свойствам и способности возвращаться к своей исходной форме после деформации. В ней присутствуют как известные пружинные материалы, например, 60С2А и 65С2ВА, так и имеющие уникальные свойства, такие как титан марки ТС6 имеющий меньшую плотность, низкую величину модуля упругости, высокие прочностные и упругие свойства, что обеспечивает высокую энергоемкость пружин [1]. Рабочие характеристики пружин определяются не только параметрами навивки, но и режимами термомеханической обработки материалов на стадии изготовления полуфабрикатов и собственно пружин [2]. Основным полуфабрикатом, использующимся в производстве упругих элементов, является проволока. Пружинная проволока - один из широко распространенных видов метизов в мировой промышленности. В зависимости от назначения она поставляется в холоднотянутом и закаленноотпущенном состояниях. Холоднотянутая проволока применяется для изготовления пружин типа «Боннель», силовых пружин, мембран и др.
Наибольший интерес представляет производство термообработанной проволоки для ответственных пружин (например, для клапанных пружин).
По информации [3] потребность российского рынка в закаленно-отпущенной заготовке по EN 10270-2: 2012 диаметром до 5,00 мм для клапанных пружин составляет 100 т/мес., а в проволоке диаметром 7,00-16,00 мм для изготовления пружин подвесок - 1025 т/мес. В зависимости от назначения, марки стали, диаметра проволоки технологическая схема может иметь различное число операций обработки металлов давлением и промежуточной термической обработки. Актуальными задачами производства термически обработанной пружинной проволоки на сегодняшний день являются: - обеспечение высокой прочности; - повышение усталостной прочности и релаксационной стойкости; - получение равномерной микроструктуры и механических свойств по сечению и по длине проволоки после финишной термической обработки [4]. Разрушение проволоки при волочении может произойти в результате низкого качества заготовки или по причине дефектов, возникающих в процессе волочения. Как правило, в месте разрыва всегда можно обнаружить характерные признаки, объясняющие причину разрушения. В ряде случаев разрушение проволоки связано с наличием дефектов, наследуемых с металлургического и прокатного переделов: неметаллических включений, пустот (пор), плен, неоднородной структуры, закатов, трещин [5]. В производственных условиях уширяющая экструзия может осуществляться на волочильном стане с помощью захватного устройства, создающего требуемое усилие. При производстве малотоннажных партий изделий, особенно при производстве пружинной проволоки из специальных сплавов, исходная заготовка может быть получена также холодной прокаткой, ротационной ковкой, точением и пр.
Материалы и методы исследования. Постановкой задачи предусматривалось разработка и изготовление опытного штампа для процессов продольного прямого выдавливания и уширяющей экструзии. Для данных процессов характерны высокие технологические усилия, которые могут стать причиной поломки рабочего инструмента, прежде всего пуансонов. Необходимо разработать такую конструкцию штампа, которая бы обеспечивала пуансону максимальную устойчивость от разрушения. Так как предполагается проведение двух разных операций деформирования в одном штампе то необходимо, чтобы конструкция штампа была универсальной и обеспечивала возможность смены рабочего инструмента. При такой конструкции штамп будет менее дорогостоящим, а его изготовление менее трудоемким. Исследование технологических возможностей процессов холодного выдавливания и уширяющей экструзии в соответствии с программой экспериментальных исследований предусмотрено на образцах, изготовленных из стали конструкционной рессорно-пружинной марки КТ-2 (ГОСТ 9389-75). Цилиндрические заготовки получают отрезкой от прутка.
Высокая точность, предъявляемая к размерам рабочих деталей штампа, обеспечивает надежное крепление этих деталей между собой, а также сводит к минимуму возможность перекоса элементов матрицы относительно друг друга, при сборке и функционировании штампа. Фотографии деталей опытного штампа приведены на рис.1-3.
Работа штампа происходит следующим образом. Заготовка и пунсон устанавливаются в приёмную часть матрицы. При рабочем ходе пуансон проталкивает заготовку в канал на длину своей рабочей части. Заготовка, заполняя канал матрицы, принимает ее форму, а сужение диаметра на выходном участке матрицы с 12 мм до значения 5,6 мм позволит без затруднений поместить заготовку заново в матрицу для дальнейшего прессования по выбранному маршруту. Между рабочими ходами ползуна в составную матрицу помещаются заготовки, которые при рабочем ходе проталкивают предыдущую по длине канала до момента её провала из канала матрицы. Проходя по всей длине канала, заготовка испытывает высокие сдвиговые деформации, что приводит к измельчению структуры. Преимущества данной конструкции штампа: наличие бандажей обеспечивает надежность всей конструкции штампа в целом; минимальное количество составных частей обеспечивает надежность функционирования, простоту сборки и изготовления;
сужение диаметра на выходном участке матрицы позволяет продавливать заготовку многократно, для получения ультрамелкозернистой структуры; применение направляющей исключает потерю продольной устойчивости пуансона; матрица имеет конусную форму для более плотной фиксации в обойме и простоты сборки. Пуансон, как и матрица, изготавливается из стали Х12М.
Рис. 1. Нижняя плита, обойма и колонки в сборе
Рис.2,3. Опытный штамп без верхней плиты с установленным рабочим инструментом для процесса продольного прямого выдавливания
Для процесса уширяющей экструзии пуансон имеет меньшее допустимое технологическое усилие, чем для процесса продольного выдавливания, так как площадь его поперечного сечения меньше. На рис.4 изображены трехмерные модели матрицы и пуансона для процесса уширяющей экструзии. Фотографии матрицы и пуансона представлены на рис.5.
а б е
Рис. 4. Трехмерная модель рабочего инструмента для процесса уширяющей экструзии: а - общий вид матрицы; б - матрица в разрезе; в - пуансон
Рис. 5. Рабочий инструмент для процесса уширяющей экструзии
299
Матрицы и пуансоны для процессов прямого выдавливания и уширяющей экструзии подвергли полной (сквозной) закалке с непрерывным охлаждением в масле, подогретом до температуры 60°С. Чтобы предохранить от поломок пуансоны закалили сразу на всю длину, не оставляя резкого перехода от закаленной рабочей части к незакаленному хвостовику. Охлаждали пуансоны в вертикальном положении и опускали как можно медленнее. Благодаря такой термообработке рабочий инструмент приобрел высокую прочность и вязкость.
Результаты и их обсуждение. Микроструктура стали КТ-2 в отожженном и наклепанном состоянии представлена на рис.6. Размер зерна обратно пропорционален степени деформации. При максимальной степени деформации Si=0,8 размер зерна минимален.
в г
Рис. 6. Микроструктура стали КТ-2: а - т = 0, увеличено в 1000раз; б - т = 0,4, увеличено в 2000раз; в - £ = 0,6, увеличено в 2000раз; г - т = 0,8, увеличено в 2000раз
Далее проведена термическая обработка. Деформированные заготовки выдерживали в печи при температуре 760°С в течение 3 минут. На рис.7 приведен внешний вид микроструктуры продеформированной и термообрабо-танной стальной заготовки.
а б в
Рис.7. Микроструктура продеформированной и закаленной стали КТ-2: а - т = 0,4, увеличено в 2000раз; б - т = 0,6, увеличено в 2000раз; в - т = 0,8, увеличено в 2000раз
После термообработки заготовки очищались от окалины. Для измерения твердости продеформированных и закаленных заготовок снимался продольный шлиф. Измерения производились в расчетных точках (рис.8).
Твердость заготовок до деформации 8 НЕС. Результаты измерения твердости приведены в табл.1.
-Р1 ?2
■ Р* Рв --
р? р^ ре
-7
£1
0.600 ■
о.тоо I
0 «Ю ' 0500 ■ 0.400 | 0300 I 0 200 0100 0 000"'
I
Рис. 8. Схема расположения расчетных точек в продольном сечении заготовки
300
Таблица 1
Значения твердости в расчетных точках заготовки_
№ расчетной точки HRC
Р1 60
Р2 61
Р3 60
Р4 64
Р5 65
Р6 64
Р7 63
Р8 62
Р9 63
На рис. 9 приводится внешний вид микроструктуры стали после 1-го и 2-го прохода заготовки через канал матрицы. Зерна равноосные и измельченные. В процессе эксперимента метода уширяющей экструзии 16 заготовок прошли через канал матрицы по одному разу. Эти заготовки были разделены на 4 группы по 4 заготовки. Для каждой из групп были применены определенные параметры термообработки. Для нагрева заготовки укладывались на поддон, а затем поддон помещают в печь. Печь сопротивления, камерная, предназначена для проведения различных видов термообработки металлических изделий при температуре до 1000°С в условиях воздушной атмосферы. Для измерения температуры в печи используется электронный потенциометр автоматический КСПЗ-П с дисковой диаграммой с погрешностью измерения температуры ±5°С. Заготовки были разделены на 4 группы по 4 заготовки. Первая и вторая группы заготовок выдерживались в печи при температуре 770°С в течение 5 и 10 минут соответственно, третья и четвертая группы - при 790°С в течение 5 и 10 минут соответственно. После выгрузки поддона из печи, заготовки сбрасывали в ванну, содержащую 10% раствор поваренной соли. После закалки, остывшие заготовки подвергались отпуску. Печь была прогрета до температуры 200°С, заготовки выдерживались 2 часа. После чего заготовки охлаждали с поддоном на воздухе.
в г
Рис.9. Вид микроструктуры стали КТ-2 после деформации: а - после 1-го прохода, периферия, увеличено в 1000раз; б - после 1-го прохода, периферия, увеличено в 2000раз; в - после 1-го прохода, центр, увеличено в 2000раз; г - после 2-го прохода, центр, увеличено в 2000раз
После термической обработки заготовки были очищены от окалины.
Поверхности заготовок, на которых измеряется твердость, зашлифованы для получения низкой шероховатости и обеспечения параллельности. Затем измерялась твердость заготовок на приборе твердости ТК-2М, шкала «С». Схема расположения точек на торце заготовки, в которых измерялась твердость, указана на рис.10. Результаты измерений твердости закаленных заготовок приведены в табл.2.
Таблица 2
Результаты измерения твердости заготовок после деформации и закалки__
Номер заготовки Твердость заготовки, HRC Среднее значение твердости, HRC
Центр Периферия
На сторонах с заусенцами | На сторонах без заусенцев
Температура нагрева — 770 °С, время выдержки — 5 минут
1 58 61 60 58 59 59
2 57 59 55 57 60
3 61 60 61 60 61
4 58 58 58 60 59
Температура нагрева — 770 °С, время выдержки — 10 минут
1 61 61 62 62 62 61,85
2 62 62 61 61 60
3 62 62 62 62 62
4 62 65 62 62 62
Температура нагрева — 790 °С, время выдержки — 5 минут
1 53 52 52 53 52 48,6
2 50 48 47 48 49
3 48 49 50 48 47
4 45 46 45 45 45
Температура нагрева — 790 °С, время выдержки — 10 минут
1 61 62 61 61 61 62,15
2 62 63 62 62 63
3 62 62 62 62 62
4 63 63 63 63 63
Среднее значение твердости вычислялось, как среднее арифметическое для четырех заготовок. Для заготовок, прошедших через канал матрицы один раз определяется степень упрочнения отношением твердости до закалки к незакаленным заготовкам. Результаты представлены в табл.3.
Таблица 3
Относительное упрочнение заготовок после термообработки_
Режимы термообработки Твердость Относительное упрочнение заготовок
Температура нагрева, °С Время выдержки, мин Среднее значение до термообработки, HRC Среднее значение после термообработки, же По сравнению с заготовками до термообработки, % По сравнению с исходными заготовками, %
770 5 23 59 256,5 453,8
770 10 23 61,85 268,9 475,7
790 5 23 48,6 211,3 373,8
790 10 23 62,15 270,2 478
Как видно из таблицы твердость заготовок после деформации и закалки увеличивается более чем в четыре с половиной раза по сравнению с твердостью исходной заготовки. Оптимальный режим термообработки: температура нагрева - 790 °С, время выдержки - 10 минут. На рис.11 приводится микроструктура стали КТ-2 после термообработки. Микроструктура состоит из мелкоигольчатого мартенсита и карбидов. Зерна равноосные и измельченные.
бв Рис. 11. Вид микроструктуры стали КТ-2 после деформации и термообработки при режиме: а - 770°С, 10 минут, увеличено в 2000раз; б - 790°С, 5 минут, увеличено в 2000раз; в - 790°С, 10 минут, увеличено
в 2000 раз
Заключение. На основании выполненного экспериментального исследования можно сделать следующие выводы. Результаты экспериментального исследования по качественным параметрам процессов (характеру диаграммы «усилие деформирования - путь инструмента», распределению по сечению заготовки степеней деформации) совпадают. Существенное отличие наблюдается по абсолютным значениям силовых параметров, что можно объяснить неоднозначностью контактных условий в эксперименте и при моделировании. Максимальные экспериментальные значения степени деформации при продольном выдавливании значительно ниже моделируемых значений ввиду ограничения эксперимента по максимальным технологическим усилиям. Предварительная интенсивная пластическая деформация способствует измельчению структуры металла после упрочняющей термической обработки (закалки и отпуска) и повышению твердости. Степень упрочнения стали КТ-2 после предварительной холодной пластической деформации по способу продольного выдавливания и последующей закалки с отпуском составляет 800%. Оптимальный режим деформационно-термической обработки: степень деформации - 0,817, температура нагрева - 790 °С, время выдержки - 10 минут.
Список литературы
1. Шаболдо О.П., Виторский Я.М., Караштин Е.А., Васильев Е.В., Сорокин М.В. Пружинные материалы со специальными свойствами из труднодеформируемых высоколегированных, термомеханически упрочняемых сплавов на основе титана, никеля и ниобия // Металлообработка. 2011. №2 (62). С. 28-35.
2. Шаболдо О.П., Виторский Я.М., Васильев Е.В., Сорокин М.В. Специализированное пружинное производство ОАО "ЦНИИМ" // Металлообработка. 2011. № 3 (63). С. 48-52.
3. Дуденков С.В., Пономарева О.С. Маркетинговое исследование рынка потребителей закаленно-отпущен-ной заготовки в рамках импортозамещения // Современный менеджмент: теория и практика: материалы V Всероссийской научно-практической конференции / под общей ред. Н.В. Кузнецовой. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2020. С. 67-71.
4. Сметнёва Н.Ю., Харитонов В.А. Направления совершенствования технологии производства закаленно-отпущенной пружинной проволоки // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2021. Т. 12. № 1. С. 16-20.
5. Харитонов В.А., Галлямов Д.Э. Производство пружинной проволоки: учебное пособие; М-во образования и науки Российской Федерации, Магнитогорский гос. технический ун-т им. Г.И. Носова. - Магнитогорск: Магнитогорский гос. технический ун-т им. Г.И. Носова, 2013. 151 с.
6. Иванов К.М., Олехвер А.И., Винник П.М., Ремшев Е.Ю. Вопросы механики сплошных сред применительно к общепромышленным технологическим проблемам // Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. № 4 (112). С. 62-69.
7. Беспалов Д.А., Воробьева Г.А., Данилин Г.А., Ремшев Е.Ю. Организация входного контроля качества пружин, изготавливаемых из титанового сплава // Металлообработка. 2016. №1(91). С.41-47.
Ермоленков Павел Алексеевич, аспирант, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
Агамирова Эсмира Эснединовна, аспирант, [email protected]. Россия, Махачкала, Дагестанский государственный технический университет,
Мирзаев Осман Нурмагомедович, аспирант, on.mirzaev@gmail. com, Россия, Махачкала, Дагестанский государственный технический университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник, [email protected]. Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
ЗагидуллинРамильРавильевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Казань, Казанский федеральный университет
DEVELOPMENT OF SPECIAL TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR THE EXPANDING EXTRUSION PROCESS SPRING WIRE
P.A. Ermolenkov, E.E. Agamirova, O.N. Mirzaev, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, R.R. Zagidullin
An analysis of the operating conditions of stamping tools used in the production of methods for ensuring the strength ofproducts was carried out. Computer simulation of the processes of longitudinal direct extrusion and broadening extrusion was carried out using the finite element method. The data obtained give an idea of the main features of the processes, parameters of the stress-strain state, degrees of deformation, specific loads, etc. Special technological equipment has been developed and manufacturedfor the processes of longitudinal direct extrusion and expanding extrusion. An experimental study of the influence of heat treatment on the mechanical properties of KT-2 steel pre-deformed in special technological equipment was carried out. Optimal heat treatment conditions were determined, under which the microstructure becomes more equiaxed and the strength of the wire increases.
Key words: spring steel grade KT-2, widening extrusion, stamp, longitudinal extrusion, deformation-heat treatment.
Ermolenkov Pavel Alekseevich, mostgraduate, [email protected], Russia, St. Petersburg, Baltic State Technical University «VOENMEH» named after. D.F. Ustinova,
Agamirova Esmira Esnedinovna, postgraduate, [email protected], Russia, Makhachkala, Dagestan State Technical University,
Mirzaev Osman Nurmagomedovich, postgraduate, [email protected], Russia, Makhachkala, Dagestan State Technical University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher, sergey_voi@mail. ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University
