CC BY
113
УДК 621.777
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА ФИЛЬТРА-ОСУШИТЕЛЯ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
П.В. Крутиков, А.К. Евдокимов
Рассматривается технология изготовления сложнопрофильных деталей типа «фильтра-осушителя» из меди и медных сплавов с использованием холодного комплексного и прямого выдавливания. Предлагается оптимальная геометрия инструмента, позволяющая повысить степень деформации при выдавливании на 10...15 %.
Ключевые слова: медные сплавы, фильтр, осушитель, комплексное выдавливание, водородное охрупчивание, штамп с динамическим центрирование.
Фильтр-осушитель является ключевым узлом практически в любой холодильной установке, где используются специальный газ фреон. При всех своих достоинствах он обладает одним существенным недостатком: интенсивно поглощает влагу из воздуха, что ухудшает его свойства как хладагента. В связи с этой проблемой возникает вопрос об использовании адсорбентов, поглощающих влагу из фреона (постоянно осушающих его).
В наши дни самым распространенным и широко применяемым видом адсорбента, в том числе и влаги, является силикагель. Собранный в определенную емкость, например, в виде тонкостенного корпуса, он легко и с достаточной производительностью пропускает фреон. Такой корпус изготавливают из меди М1 или М2, так как она хорошо поддается пайке, пластической деформации и обладает высокой коррозийной стойкостью.
На рис. 1 показан разобранный фильтр-осушитель. К его корпусу предъявляются жесткие требования по сплошности (прежде всего из-за высокой текучести фреона), поэтому технология должна соответствовать методам изготовления точных деталей, он не должен иметь сквозных мак-ро- и микротрещин, а сам узел фильтра должен соответствовать всем техническим стандартам.
Рис. 1. Фильтр-осушитель в разобранном виде
71
Существующая технология. Действующий технологический процесс изготовления корпуса фильтра-осушителя холодильного агрегата предусматривал отрезку трубной заготовки, предварительный обжим, подрезку торцов, снятие заусенцев, калибровку внутреннего диаметра первой обжатой части, сборку сеток и осушительного состава, последующий обжим с соответствующей подрезкой и калибровкой внутреннего диаметра изделия.
К недостаткам такой технологии относятся необходимость использования дорогостоящих и дефицитных тонкостенных (легко сминаемых) труб, повышенные транспортные расходы, низкий коэффициент использования металла при раскрое, слабая механизация и автоматизация процесса, большой процент брака при транспортировке и в производстве, значительная доля ручного труда.
Предлагаемая технология. В новой технологии в качестве заготовок для изготовления корпуса фильтра-осушителя были использованы прутки (проволочные бунты), которые позволили улучшить транспортировку проката, устранили повреждения в процессе подъемнотранспортных операций и снизили транспортные расходы.
Анализ чертежа изделия и требований к нему позволил выявить возможности изменения его геометрический формы с целью получения конфигурации, удобной для холодного выдавливания. Так как изделие тонкостенное, то степень деформации на стадии обратного выдавливания составляет 90,2 %. Для обратного выдавливания технически чистой меди в справочниках не рекомендуют превышать степень деформации 80...85 % из-за высоких удельных сил [1].
На рис. 2 показан маршрутный технологический процесс изготовления корпуса, который состоит из операций высадки шарообразной заготовки, осадки ее до диаметра матрицы, комплексного выдавливания и обрезки кромки после отжига, а затем сборки фильтра и обжима.
Ф20 <--->
| ---->—к--- -----^—к
Рис. 2. Предлагаемая технология
Для снижения энергоемкости процесса выдавливания, рационализации его технологических характеристик и расчета оптимальной геометрии инструмента использовался энергетический метод разрывных полей скоростей [2].
Основные проблемы. Проблемами, возникшими в процессе разработки новой технологии, были качество отрезанной заготовки от прутка, водородное «охрупчивание» меди, низкая стойкость инструмента при холодном выдавливании.
Заготовки. Полуфабрикат корпуса фильтра-осушителя относится к сложнопрофильным деталям и представляет собой тонкостенную ступенчатую втулку с внутренней перемычкой (рис.2).
За основу была выбрана проволочная технология, а расчетный диаметр проволоки стал равным 12 мм. Состояние поставки проволоки выбрали полунагартованным, так как оно улучшает качество отрезки.
Заготовки получали на высадочном автомате в виде шариков диаметром 17 мм в соответствии с рассчитанным объемом детали. Затем производили их отжиг и последующую осадку до толщины 10 мм, что соответствовало степени деформации 41 %.
Выдавленный полуфабрикат из осаженной заготовки показан на рис. 2, где его наружный диаметр равен 20 мм, а толщина стенки - 0,5 мм.
Водородное «охрупчивание». Проводя экспериментальные исследования по новой технологии, было обнаружено, что после отжига при осадке медных заготовок на боковых поверхностях возникают глубокие трещины (рис. 3). Литературный поиск показал, что данное разрушение можно было бы сопоставить с так называемой «водородной болезнью» или водородным «охрупчиванием» меди [3]. Полагают, что в этом виноваты пары воды, которые попадают в межкристаллитное пространство и дальше диффундируют по всему металлу.
Рис. 3. Треснувшая медная заготовка
Существует несколько гипотез, объясняющих водородное «охрупчивание» металлов.
Одна из них утверждает, что свободные атомы водорода отнимают кислород у оксида меди и при этом образуются пары воды, которые внутренним давлением разрушают металл [http://delta-grup.ru/bibliot/31/93.htm]. Но эта гипотеза не дает представления, откуда взялся внутри заготовки оксид меди и как там появился свободный водород. Непонятно также, каким образом внутреннее давление паров оказывает влияние на пластичность металла.
Вторая гипотеза состоит в том, что под воздействием электромагнитных полей, возникающих при внутреннем трении, атомарный водород устремляется вглубь металла, вступая с ним в химическую реакцию. В результате, в пространстве между кристаллами металла образуются хрупкие соединения - гидриды. Межкристаллические связи ослабевают, и металл теряет прочность. Одновременно атомарный водород проникает в микрополости, скапливается там и превращается в молекулярный водород, то есть превращается в газ, создавая избыточное давление. В результате, потерявший прочность металл, под воздействием давления водорода изнутри и механических сил снаружи легко разрушается. Если такие циклы повторяются постоянно, то увеличивается износ детали [http://www.reagent.saitbiz.ru/vopros/vopr_1_2. php].
Если не защитить металл от водородного износа, то любая другая защита будет временной и не решит проблемы износа в целом. Из второй гипотезы также не ясно, откуда взялось столько атомарного водорода, чтобы образовать водородный газ в межкристаллитном пространстве.
По нашей гипотезе, пары воды из атмосферы диффундируют в заготовку вблизи ее поверхности. При ее нагреве в присутствии атомов металла пары воды начинают диссоциировать на кислород и водород, при этом кислород соединяется с медью, образуя оксиды, а высвободившиеся атомы водорода продолжают усиленно проникать внутрь заготовки по межкристаллитному пространству. Возможно, что часть атомов водорода превращается в молекулы и образует водородный газ в межкристаллитном пространстве. Водородный газ затем при последующей пластической деформации из межкристаллитного состояния проникает в дислокации, чем затрудняет их движение, приводит к быстрому скоплению и образованию микротрещин. С другой стороны, образовавшийся оксид меди вблизи поверхности материала является хрупким компонентом, который быстро приводит тоже к растрескиванию и образованию микро- и впоследствии макротрещин. Таким образом, после высокотемпературного нагрева металла образуются два источника микротрещин - это молекулярный водород и образовавшийся оксид меди, который при пластической деформации приводит к значительным разрушениям.
Вообще повышенная пластичность меди объясняется структурой ее
кристаллической решетки (кубическая гранецентрированная) [4]. Часто отжиг применяют для снятия предварительной нагартованности металла и улучшения его пластичности. Установлено, что при нагреве заготовки на 150 °С водород не оказывает вредного действия на пластичность металла, так как водяные пары находятся в конденсированном состоянии (такая медь не разрушается в течение 10 и более лет). При нагреве в 200 °С разрушение наблюдается через 1,5 года, а при 400 °С - через 70 часов [5].
Экспериментальным путем, начиная с 900 °С и снижая до 200 °С через каждые 100 °С, найдена оптимальная температура отжига для меди М2 500...550 °С.
Следовательно, после отжига медной заготовки в течение трех суток следует подвергнуть ее пластической деформации, иначе неизбежен процесс растрескивания даже при оптимальной температуре отжига.
Экспериментальное решение проблемы «водородной болезни» сводится к тому, чтобы отжигать заготовку при температуре 500.550 °С (а не 900 °С, как рекомендуется в справочниках) и успеть пластически про-деформировать заготовку в течение суток.
Практическое применение решения проблемы растрескивания заготовок показано на примере разработки новой технологии изготовления такой детали, как медный корпус фильтра-осушителя.
Инструмент для холодного выдавливания. При проектировании инструмента для холодного выдавливания использовались результаты исследования по оптимизации геометрии рабочей поверхности пуансона и взаимосвязанной с ним геометрии матричной полости в зависимости от величины удельной силы выдавливания, позволившие снизить удельную силу на 15.20 %.
В соответствии с графиком изменения силы (а также при поэтапном исследовании) вначале идет осадка заготовки, а затем заполнение нижней полости матрицы со слабым течением металла в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей (комбинированное выдавливание), характеризующимся изменением силы выдавливания. Затем интенсивность роста силы уменьшается при установившемся обратном выдавливании, что свидетельствует о некоторой стабилизации процесса, т.е. наблюдается появление стационарной стадии. Был зафиксирован резкий скачок вниз по силе на стационарной стадии процесса, что, по-видимому, объясняется изменением граничных условий, т.е. интенсивным истечением смазки, скопившейся при заполнении шарообразной заготовкой рабочего пространства инструмента в углах матрицы [6].
Штамповая оснастка
Разработан, изготовлен и испытан штамп для выдавливания цилиндрических тонкостенных корпусов (рис.4), особенностью которого является возможность динамического центрирования инструмента по разно-стенности детали [7].
Рис. 4. Чертеж штампа для холодного выдавливания
Штамп состоит из следующих деталей. Матрица 1 для холодного выдавливания устанавливается в матрицедержатель 2 и закрепляется в нем гайкой 3. Эта сборка размещается на нижней плите 4 и крепится к ней четырьмя регулировочными клиньями 5 с помощью крепежнорегулировочных болтов 6. Клинья 5 опираются на опорное кольцо 7 с одной стороны и на наклонные поверхности 8 матрицедержателя 2 с другой стороны, создавая возможность перемещения матрицы 1 в горизонтальной плоскости. Головки 9 крепежно-регулировочных болтов 6 выполнены за одно целое с фланцами 10, на верхней поверхности 11 которых нанесена делительные шкалы 12, а на верхней плоскости каждого клина 5 нанесена базовая риска 13. Под клином 5 на крепежно-регулировочный болт 6 навернуты выталкивающая гайка 15 и контргайка 16, которые отделены от клина 5 упорным подшипником 17.
Для устранения горизонтальной матрицы 1 в гайке 3 выполнен цилиндрический бурт 18, помещенный в кольцевую проточку 19. В торцовой проточке 20 размещено поворотное кольцо 21 со штифтом 22. На этом кольце 21 помещены в 4 секциях информационные шкалы 23.
Пуансон 14 для выдавливания крепится в пуансонодержателе 24 на верхней плите 25 штампа. Для увеличения жесткости крепления пуансон 14 выполнен с коническим хвостовиком, размещенным в цанге 26, а та, в свою очередь, в промежуточной втулке 27, и вся эта конструкция зажимается гайкой 28. Штамп имеет две стойки 29 с ограничительными гайками 30, на которых размещена съемная планка 31 со съемником 32, которая, в свою очередь, подперта пружинами 33.
Заключение
Проведенные опытные партии показали, что предлагаемая техноло-
гия работоспособна. Первые испытания выдавленных корпусов фильтра-осушителя на эксплуатационные характеристики позволили получить удовлетворительные результаты (рис. 5).
Рис. 5. Предлагаемая технология, реализованная в металле
Стойкость инструмента при выдавливании в процессе исследований повысилась многократно (с 40 шт. вначале до 30 тыс. деталей в конце испытаний), производительность труда возросла в 2,5 раза, себестоимость детали снизилась на 15.. .20 % за счет автоматизации операций и увеличения коэффициента использования металла.
Список литературы
1. Головин В.А., Митькин А.Н., Резников А.Г. Технология холодной штамповки выдавливанием. М.: Машиностроение, 1970. 152 с.
2. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров / пер. с англ. А.Г. Овчинникова М.: Машиностроение, 1979. 567 с.
3. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.
4. Головин С.А. Физические основы пластической деформации. Тула: ТулГУ, 2003. 148 с.
5. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации: учеб. пособие М.: Металлургия, 1982. 584 с.
6. Евдокимов А.К. Холодное выдавливание сложнопрофильных изделий // Кузнечно-штамповочное производство и обработка металлов давлением. 2005. №1. С. 9-17.
7. Евдокимов А.К. Штампы для холодного выдавливания длинно-
77
осных стаканов // Заготовительное производство в машиностроении. 2009. №11. С. 29 - 32.
Крутиков Петр Валерьевич, магистрант, Peter212@yandex.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Евдокимов Анатолий Кириллович, д-р техн. наук, проф., AKEvdoki-mov@yandex.ru., Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF MANUFACTURING CASE FILTER-DRIER FOR REFRIGERA TION
P. V. Krutikov, A.K. Evdokimov
The technology of the manufacture of complex-type items "filter-drier" in copper and copper alloys using cold comprehensive and direct extrusion. It is proposed optimal geometry tools to enhance the degree of deformation during extrusion of 10-15 %.
Key words: copper alloys, filter, dryer, integrated extrusion, hydrogen embrittlement, a stamp with a dynamic alignment.
Krutikov Peter Valerievich, undergraduate, Peter212@yandex. ru., Russia, Tula, Tula State University,
Evdokimov Anatoly Kirillovich, doctor of technical scieses, professor., AKEvdoki-mov@yandex. ru., Russia, Tula, Tula State University
