CC BY
15
_ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.И. Галкин
УДК 621.73
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-1-57-62
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДОГРЕВА ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКЕ АВИАЦИОННЫХ ЛОПАСТЕЙ
Федор Евгеньевич Тарасов1, канд. техн. наук, Василий Эдуардович Фризен1, докт. техн. наук, Сергей Александрович Бычков1, канд. техн. наук, Салават Мирдасович Фаткуллин1, канд. техн. наук, Борис Владимирович Овсянников2, канд. техн. наук, Эдуард Ильфатович Бурибаев2
1 Уральский федеральный университет им. Первого Президента России
Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия 2 Каменск-Уральский металлургический завод, Каменск-Уральский, Свердловская область, Россия, e-mail: OvsyannikovBV@kumw.ru
Аннотация. В работе исследовали отштампованную авиационную лопасть с применением индукционной установки подогрева штамповой оснастки для вертикального гидравлического пресса усилием 300 МН. Описываются закономерности влияния температурных режимов деформирования на структуру и механические свойства готовых изделий в технологии производства штамповок из алюминиевых сплавов (Д1ч, АК6, АК8, 2014, 7050). Приводятся результаты металлографического контроля макроструктуры, структуры излома и микроструктуры лопасти из сплава Д1чТ.
Ключевые слова: штамповый инструмент; индукционный нагрев; алюминиевые сплавы; авиационные лопасти; изотермическая штамповка
Technology of Heating of the Stamping Tool During Isothermal Stamping of Aircraft Blades. Cand. of Sci. (Eng.) Fedor Ye. Tarasov1, Dr. of Sci. (Eng.) Vasily E. Friesen1, Cand. of Sci. (Eng.) Sergey A. Bychkov1, Cand. of Sci. (Eng.) Salavat M. Fatkullin1, Cand. of Sci. (Eng.) Boris V. Ovsyannikov2, Eduard I. Buribaev2
1Ural Federal University named after B.N. Yeltsin, the first President of Russia, Ekaterinburg, Russia
2 Kamensk-Uralsk Metallurgical Works J. S. Co., Kamensk-Uralsk, Sverdlovsk region, Russia, OvsyannikovBV@kumw.ru
Abstract. The paper describes the implemented induction installation for heating the die equipment for a vertical hydraulic press with a force of 300 MN for stamping blades. The investigated stamping product is designated as an aviation blade and a stamping tool for its production. The regularities of the influence of temperature conditions of deformation on the structure and mechanical properties of finished products in the technology for the production of stampings from aluminum alloys are described (D1ch, AK6, AK8, 2014, 7050). The results of the study of metallographic control of the macrostructure, fracture structure and microstructure of the blade made of D1d"iT alloy are presented.
Key words: stamp tool; induction heating; aluminum alloys; aircraft blades; isothermal stamping
Процессы изотермического деформирования отличаются от обычных, традиционных способов горячей штамповки тем, что формоизменение нагретой заготовки осуществляют в инструменте, нагревом до температуры деформации. Термин «изотермическое деформирование» отражает условия процесса, а не температуру штампуемого металла, которая в процессе деформирования будет повышаться вследствие теплового эффекта деформации.
Изотермическая штамповка металлов и сплавов имеет преимущества по сравнению с обычной штамповкой. В изотермических условиях скорость деформирования значительно меньше, чем при обычной штамповке. Это позволяет проводить штамповку при меньшем сопротивлении металла деформированию и, соответственно, меньшем усилии. Кроме этого, при изотермической штамповке удается достичь более равномерной деформации штампуемого металла.
Важным преимуществом изотермического деформирования является повышение пластичности обрабатываемого материала, что связано с более полным разупрочнением, а также «залечиванием» микротрещин вследствие диффузии в металле при пониженных скоростях деформации. Это позволяет получать в изотермических условиях детали сложной формы.
Изотермическая штамповка крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов успешно реализована на гидравлическом прессе усилием 300 МН в ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» (КУМЗ), г. Каменск-Уральский. Для поддержания нужной температуры металла во время деформации необходимо, чтобы температура штампо-вого инструмента была близка к температуре деформируемого металла. В противном случае деформируемый в процессе прессования металл остывает, передавая тепло штамповой оснастке, что приводит к образованию дефектов в штампованной детали. При прессовании крупных деталей этот фактор определяет время работы пресса, поскольку использовать систему подогрева штампового инструмента, пригодную для работы прессов относительно небольших габаритов не представляется возможным ввиду большой массы штампового инструмента. Система индукционного подо-
грева штампового инструмента для прессования крупных заготовок [1-7], технические решения, использованные при создании системы подогрева [8], реализованы на Каменск-Уральском металлургическом заводе.
Исследовали полученное на гидравлическом прессе усилием 300 МН штампованное изделие - авиационную лопасть с использованием штампового инструмента (рис. 1). Система индукционного подогрева штамповой оснастки позволяет поддерживать температуру штампового инструмента до 500 °С.
Наиболее существенное влияние на механические свойства и структуру готовых штамповок оказывают температурные режимы деформирования при штамповке. Например, изменение температуры начала деформирования с 400 до 450 °С не оказывает существенного влияния на механические свойства поковок из сплавов АК6 и 2014. Дальнейшее повышение температуры до 470 °С приводит к понижению прочностных характеристик сплава 2014 на 23,5 МПа (2,4 кгс/мм2).
С понижением температуры конца деформирования от 400 до 350-300 °С поковок из
2930
/
а
0 б
Рис. 1. Геометрия и максимальные размеры авиационной поковки (а) и лопастного штампового инструмента (б):
1 - штамповый инструмент; 2 - опорная плита; 3 - стальная плита
сплавов АК6 и 2014 происходит снижение прочностных характеристик на 29-39 МПа (3-4 кгс/мм2) из-за образования крупнокристаллической структуры. Особенно это относится к зоне так называемого «ковочного креста». Наиболее легко образуется крупнокристаллическая структура в поковках с содержанием легирующих компонентов на нижнем пределе. При этом наличие крупнокристаллической структуры в поковках вызывает существенное снижение прочностных характеристик.
Еще более важное значение имеют термомеханические режимы деформации, т.е. фактическая степень деформации в сочетании с фактической температурой деформирования. Последняя определяется не только температурой нагрева заготовок перед деформированием, но и температурой штампа, в котором производится деформирование, особенно при изготовлении лопастей с тонким пером, а также деталей с тонкими ребрами и полотнами.
Исследования, проведенные в связи с обнаружением крупнокристаллической структуры в пере готовых лопастей, показали, что основным технологическим фактором, определяющим вид макроструктуры штамповок лопастей из сплава Д1ч, является температура металла непосредственно в процессе штамповки, замеренная сразу после окончания деформирования в самой тонкой части лопасти до ее выемки из штампа. Чем выше температура металла при его деформировании, тем меньше веро-
Рис. 2. Изменение структуры лопасти из сплава Д1ч в процессе штамповки по мере снижения температуры штампа
ятность образования крупнокристаллической структуры и тем выше значения прочностных характеристик. Указанная закономерность проявляется в следующем.
1. Если температура металла непосредственно после штамповки составляет выше 400 °С, то в лопастях по всей длине наблюдается только мелкозернистая структура (рис. 2, образцы 9032-9035), обеспечивающая наиболее высокие прочностные характеристики готовых лопастей и их повышенную усталостную выносливость.
2. При температуре выше 300 °С, но ниже 400 °С в незначительной части пера лопасти (на конце самой тонкой ее части) образуется крупнозернистая структура.
3. При температуре ниже 330 °С наблюдается крупнозернистая структура на значительной длине лопасти.
На рис. 2 показано изменение структуры штампованной лопасти из сплава Д1ч в процессе штамповки по мере снижения температуры штампа.
Температура штамповки после деформирования при определенных условиях может быть ниже, равна или выше температуры заготовок перед штамповкой и зависит от температуры нагрева штампа.
Для получения высококачественных лопастей (с мелкозернистой структурой и максимальными прочностными свойствами) температуру конца штамповки, а также температуру штампа необходимо поддерживать в интервале 400-460 °С и желательно ближе к верхнему пределу этого интервала.
Полученные при исследовании лопастей из сплава Д1ч закономерности влияния температурных режимов деформирования на структуру и механические свойства готовых изделий использованы в технологии производства штамповок из других сплавов, склонных к образованию крупнокристаллической структуры при низкотемпературном деформировании, таких как АК6, АК8, 2014, 7050.
При изготовлении штамповок большую роль в формировании структуры и механических свойств играет степень деформации, сообщенная металлу за последнюю штамповку (в том случае, если штамповка совершается за несколько переходов).
Каждый сплав имеет критическую степень деформации. Если полуфабрикат при последнем деформировании получил степень деформации, близкую к критической, при последующей термической обработке происходит собирательная рекристаллизация, сопровождающаяся ростом крупных зерен и существенным снижением прочностных характеристик.
Так, продольные образцы штамповок из сплава 2014 с мелкокристаллической структурой имеют следующие механические свойства: ств = 470,4-480,2 МПа (48-49 кгс/мм2), ст0,2 = 382,2-401,8 МПа (39-41 кгс/мм2) и 5 = 11-12 %. В случае крупнокристаллической структуры с образованием зерен площадью более 1 см2 ств = 348,9 МПа (35,6 кгс/мм2), ст0,2 = 276,4 МПа (28,2 кгс/мм2) и 5 = 30,6 %.
Наиболее вероятно образование в штамповках крупнокристаллической структуры в том
270 220 220 330 220 220 220 220 220 220
0 1 / 2 3 4 5 6 7 8 9
> > > > > \
Темплеты для контроля макроструктуры в поперечном и продольном сечениях
Рис. 3. Схема вырезки образцов для контроля твердости и структуры излома
случае, если при последней операции штамповки степень деформации составляет 5-15 %.
В ходе приемочных испытаний установки индукционного подогрева штамповой оснастки было проведено всестороннее исследование произвольно выбранной лопасти из сплава Д1чТ, полученной при температуре штампового инструмента 400-460 °С. На рис. 3 показана схема вырезки образцов для контроля твердости и структуры излома штамповки.
На рис. 4 представлены результаты металлографического контроля макроструктуры темпле-тов № 0, 3 и 8 в продольном сечении при травлении в 20 %-м водном растворе NaOH и осветлении в концентрате HNO3. По результатам исследования в макроструктуре штамповки дефектов не обнаружено; макроструктура волокнистая, мелкозернистая, равномерная; макроструктура остальных исследованных сечений идентична.
На рис. 5. представлены результаты металлографического контроля изломов темплетов № 0, 3 и 8, которые показали отсутствие дефектов в структуре.
В результате металлографического контроля микроструктуры темплетов № 0 и 8 при травлении реактивом Келлера в микроструктуре штамповки признаков пережога не обнаружено, структура соответствует деформированному закаленному состоянию сплава Д1чТ (рис. 6).
По результатам всесторонних испытаний лопасти из сплава Д1чТ составлено заключение о соответствии уровня механических
?17 IS 13 20'.21.W 2S !Л 2Ï 25 71 28 Î9 30 31 M ii Si J5 3E 37 J» 35 JO 11 « 43
iMIMeiMÎHII 'II fiiJ^'ait^WhultJ-^iWrikiirfcti ¡^Wtéikià^M ^
Темплет № 3
M 1a 19 ÏU -¿л éZ 23 21 25 26 Й7 ?П îa in n -¡2 JJ 35
Темплет № 8
Темплет № 0
Рис. 4. Макроструктура темплетов № 0, 3 и 8 в продольном сечении
TCSWDTZQ/bQYUBQU Q/WPTQU65X+SQOTQX5T/SW1
il 1 iltll s ш Шц I Li - ■
l|llll M4|ll!l|IIM|i|M|!Mtjllll|llll|lllt {11ЩШ|1]11Ш11[ЦМ|||(||Ш
4 6 7 Я 4 ID É 1?
Темплет № 0
Щ
liai1
]
|Щ1|Ш1|1111|Ш]{1Ш|11||||||1[[М1{1!1||11 Темплет № 3
HIMiMNttHHI ¡11111
« т Q „ЯП
Темплет № 8
Рис. 5. Структура изломов поперечных макротемплетов № 0, 3 и 8
Темплет № 8
Рис. 6. Микроструктура темплетов № 0 и 8 при разном увеличении
свойств, микроструктуры и структуры излома требованиям ОСТ В 1 94000-70.
Выводы
1. Проведено исследование влияния температуры штампового инструмента на образование крупнозернистой структуры при получении высококачественной авиационной лопасти из сплава Д1чТ. Определен диапазон температур (400460 °С), при котором структура получается мелкозернистая с максимальными значениями прочностных свойств. Данный диапазон температур подходит для получения качественных поковок из сплавов, склонных к образованию крупнокристаллической структуры при низкотемпературном деформировании, таких как АК6, АК8, 2014, 7050.
2. Установка подогрева штамповой оснастки на вертикальном гидравлическом прессе усилием 300 МН позволяет подогревать и поддерживать требуемые температуры штамповой оснастки, а также получать качественные поковки из алюминиевых сплавов, что подтверждается приемо-сдаточными испытаниями и заключением всестороннего исследования лопасти из сплава Д1чТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смольянов И.А., Тарасов Ф.Е., Швыдкий Е.Л.
Численный расчет индукционного нагрева крупногабаритных объектов // Электрометаллургия. 2021. № 6. С. 9-17.
2. Фризен В.Э., Тарасов Ф.Е., Смольянов И.А., Швыдкий Е.Л. Система индукционного подогрева штамповой оснастки пресса для изотермической
штамповки крупногабаритных деталей // Вестник машиностроения. 2021. № 7. С. 64-67.
3. Frizen V., Tarasov F., Bychkov S., Fatkullin S., Sarapulov S. Induction heating system for die tooling of press for isothermal stamping of large-sized parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 950. Iss. 1. 012011.
4. Tarasov F.E., Shmakov E.I. Induction Heating of the Large-Size Installations. Part 1. Study on the Power Frequency Dependence of the Heating Efficiency // 2021 Ural-Siberian Smart Energy Conference. USSEC 2021. P. 167-170.
5. Frizen V.E., Tarasov F.E., Smol'yanov I.A., Shvy-dkii E.L. Inductive Die Heating in Isothermal Stamping of Large Components // Russian Engineering Research. 2021. Vol. 41. № 10. P. 919-923.
6. Smol'yanov I.A., Tarasov F.E., Shvydkii E.L. Numerical Calculation of the Induction Heating of Large Objects // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 12. P. 1510-1516.
7. Тарасов Ф.Е., Фризен В.Э., Бычков С.А., Фат-куллин С.М., Овсянников Б.В., Смольянов И.А.
Установка подогрева штамповой оснастки для изотермической штамповки крупных заготовок // Технология легких сплавов. 2022. № 4. С. 65-70.
8. Пат. 209376 Российская Федерация, МПК Н05В 6/10б Н05В 6/36. Индуктор / Сарапулов С.Ф., Фризен В.Э., Бычков С.А., Тарасов Ф.Е., Смольянов И.А., Швыдкий Е.Л., Овсянников Б.В., Буриба-ев Э.И., Калистратов А.А.; заявитель и патентообладатель КУМЗ и УрФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина. - № 2021131385; заявл. 26.10.21; опубл. 15.03.22.
REFERENCES
1. Smol'yanov I.A., Tarasov F.Ye., Shvydkij Ye.L.
Chislennyi raschet indukcionnogo nagreva krup-nogabaritnyh ob'ektov // Elektrometallurgiya. 2021. № 6. C. 9-17.
2. Frizen V.E., Tarasov F. Ye., Smol'yanov I.A., Shvydkij Ye.L. Sistema indukcionnogo podogreva shtam-povoj osnastki pressa dlya isotermicheskoj shtam-povki krupnogabaritnyh detalej // Vestnik mashi-nostroeniya. 2021. № 7. C. 64-67.
3. Frizen V., Tarasov F., Bychkov S., Fatkullin S., Sarapulov S. Induction heating system for die tooling of press for isothermal stamping of large-sized parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 950. Iss. 1. 012011.
4. Tarasov F.E., Shmakov E.I. Induction Heating of the Large-Size Installations. Part 1. Study on the Power Frequency Dependence of the Heating Efficiency // 2021 Ural-Siberian Smart Energy Conference. USSEC 2021. P. 167-170.
5. Frizen V.E., Tarasov F.E., Smol'yanov I.A., Shvydkii E.L. Inductive Die Heating in Isothermal Stamping of Large Components // Russian Engineering Research. 2021. Vol. 41. № 10. P. 919-923.
6. Smol'yanov I.A., Tarasov F.E., Shvydkii E.L. Numerical Calculation of the Induction Heating of Large Objects // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 12. P. 1510-1516.
7. Tarasov F.Ye., Frizen V.E., Bychkov S.A., Fatkullin S.M., Ovsyannikov B.M., Smol'yanov I.A. Ustanovka podogreva shtampovoj osnastki dlya isotermicheskoj shtampovki krupnyh zagotovok // Tekh-nologiya legkih splavov. 2022. № 4. C. 65-70.
8. Pat. 209376 Rossijskaya Federaciya, MPK N05V 6/10b N05V 6/36. Induktor / Sarapulov S.F., Frizen V.E., Bychkov S.A., Tarasov F. Ye., Smol'yanov I.A., Shvydkij Ye.L. Ovsyannikov B.M., Buribaev E.I., Kalis-tratov A.A.; zayavitel' i patentoobladatel' KUMZ i UrFU im. Pervogo Presidenta Rossii B.N. El'cina. -№ 2021131385; zayavl. 26.10.21; opubl. 15.03.22.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № 075-11-2019-028 (Разработка технологии и комплекса энергоэффективного индукционного оборудования подогрева штамповой оснастки к вертикальному гидравлическому прессу усилием 300 МН для производства штамповых изделий авиационной промышленности из магниевых и алюминиевых сплавов).
