CC BY
98
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.983; 539.374
Д.В. Дудка, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.И. Трегубов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, mpf-tula@rambler.ru (Россия, Тула, ФГУП «ГНПП «Сплав»)
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ВИДА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЕРЕД РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКОЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУФАБРИКАТА
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров и вида термической обработки перед ротационной вытяжкой на механические свойства полуфабриката.
Ключевые слова: технологический процесс, термическая обработка, ротационная вытяжка, оправка, ролик, трубная заготовка, шага подачи, степень деформации.
Цельнометаллические корпуса головных частей реактивных снарядов работают в тяжелых условиях эксплуатации (агрессивные среды, высокие статические и динамические нагрузки), поэтому к механическим свойствам этих изделий предъявляются специальные требования [1-3].
В процессе ротационной вытяжки повышаются прочностные характеристики материала (временное сопротивление о в, условный предел текучести О0 2) и снижаются относительное удлинение 8 и относительное сужение площади поперечного сечения у. Изменение механических свойств материала зависит от степени его деформации е.
Явление упрочнения материала в процессе пластической деформации в отдельных случаях используется как положительный фактор для по-
вышения конструктивной прочности изготавливаемых деталей. Вместе с тем, имеющее место при этом снижение пластических свойств отрицательно сказывается на возможностях интенсификации процесса ротационной вытяжки.
Рассмотрим результаты экспериментальных исследований по изменению механических свойств материала цилиндрических деталей, изготавливаемых ротационной вытяжкой на специализированном оборудовании.
При проведении экспериментальных работ был исследован характер изменения механических свойств стали 10 при различных схемах обработки, технологических и геометрических параметрах инструмента ротационной вытяжки.
Экспериментальные работы производились на станке СХП-2. Ротационная вытяжка цилиндрических деталей осуществлялась по трем наиболее характерным схемам обработки: 3-роликовой схеме с использованием деформирующих роликов открытой калибровки; 3-роликовой схеме с использованием роликов закрытой калибровки; 3-роликовой схеме с разделением очага деформации.
Для оценки влияния технологических параметров на качественные характеристики цилиндрических деталей ротационная вытяжка выполнялась с различными величинами степени деформации е и рабочей подачи £, которые изменялись в диапазоне от 10 до 70 % и от 0,55 до 2 мм/об соответственно, где е = (1 - ? / ?о)100 %; to и ? - толщина стенки исходной заготовки и детали.
В качестве деформирующего инструмента при проведении экспериментальных работ были использованы конические ролики с открытой и закрытой калибровкой диаметрами Бр = 220 мм, углом рабочего конуса
ар 10...300, высотой калибрующего пояска Ь = 3мм . Рабочий инструмент
(ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 ИЯСэ. Ротационная вытяжка цилиндрических деталей осуществлялась при постоянной частоте вращения оправки п = 180 1/ мин.
После проведения ротационной вытяжки с различными степенями деформации заготовки из стали 10 подвергались низкотемпературному отжигу при Тотж = 400 °С.
Для определения механических характеристик материала трубных заготовок и полуфабрикатов при разных степенях деформации изготовлялись продольные образцы. Количество образцов каждого типа равнялось шести.
Величины условных пределов текучести О02, временного сопротивления о в, относительного максимального удлинения 85 образца в направлении образующей трубных изделий вычислялись в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Кривые изменения механических свойств стали 10 в зависимости от степени деформации е приведены на рис. 1.
0 10 20 30 40 50 о/о 70
£ ----
Рис. 1. Изменение механических свойств стали 10 в зависимости от степени деформации е (£ = 0,55мм/об):
_____- ар = 15°;________- ар = 20°
Анализ результатов механических испытаний образцов деталей, подвергнутых различным степеням деформации е при различных схемах ротационной вытяжки и рабочей подачи £, показывает, что характер изменения механических свойств деталей практически не зависит от выбранных схем их обработки. Некоторые различия в характере изменения механических свойств объясняются величиной образования наплыва металла перед очагом деформации.
Установлено, что при ротационной вытяжке деталей из стали 10 роликами открытой калибровки более интенсивное изменение механических
свойств имеет место при обработке роликами с углом а р = 20° (с колебаниями величины наплыва Ин в исследуемом интервале степеней деформации от 0,7 до 1,14 мм) по сравнению с обработкой деталей по той же схеме роликами с углом а р = 15° (с колебаниями наплыва
Ин = 0,47...0,74 мм). Отметим, что детали, обработанные по той же схеме роликами с углом ар = 30° из-за наличия поверхностных дефектов (от
чрезмерной величины наплыва при ротационной вытяжке), механическим испытаниям не подвергались.
Характер изменения механических свойств деталей из стали 10, обработанных роликами с закрытой калибровкой, аналогичен результатам,
полученным при обработке роликами открытой калибровки при ар = 20°.
Механические свойства деталей, деформированных по схеме с разделением деформации, идентичны результатам, полученным при обработке деталей роликами открытой калибровки с углом ар = 15°.
Результаты проведенных работ показывают, что при ротационной вытяжке деталей из стали 10 со степенью деформации до 60 % величины о в и О0 2 возрастают на 50...55 %, а величина 8 снижается более чем в 2
раза.
На основе этих экспериментальных данных были построены математические зависимости изменения временного сопротивления о в, условного предела текучести о0,2 и относительного удлинения 8 от степени
деформации е при ротационной вытяжке.
Зависимости изменения о в, О02 и 8 от степени деформации е
описывались выражением
у = У0 + аеЪ, (1)
где У0 и у - величина исследуемой характеристики механических свойств до и после пластической деформации е; а и Ъ - экспериментальные константы.
Вид формулы (1) выбирался с учетом качественных закономерностей изменения исследуемых механических характеристик, а также исходя из условия минимума дисперсии адекватности формулы экспериментальным данным. Экспериментальные константы а и Ъ находились по методу Хука - Дживса.
В табл. 1 представлены величины экспериментальных констант для исследуемых характеристик механических свойств исследуемой стали.
Таблица 1
Экспериментальные константы зависимости вида
Материал Схема обработки У Уо а ь
Сталь 10ГН; закалка ТВЧ; Тзак = 970...1030 °С; отпуск Тотп = 590 °С; время 1отп = 190 мин 1 о в, МПа 577 330,4 0,73
о0,2, МПа 511 331,6 0,72
8, % 13,1 -9,9 0,64
2 о в, МПа 577 409,3 0,74
Оо,2, МПа 511 403,7 0,74
8, % 13,1 -11,3 0,63
В табл. 1 введены следующие обозначения для схемы обработки и последующей термической обработки детали: 1 - схема с использованием
деформирующих роликов открытой калибровки, а р = 20° ; низкотемпературный отжиг; Тотж = 400 °С; 2 - схема с разделением очага деформации ар1 = 10°; а р2 = 20°; а р3 = 30°; 3 - схема с использованием деформирующих роликов открытой калибровки, а р = 15°; низкотемпературный отжиг;
Тотж = 400 °С; 4 - схема с использованием деформирующих роликов закрытой калибровки, ар = 30°, ав = 5°, Иг = А?, аз = 15°; низкотемпературный отжиг; Тотж = 360 °С; 5 - схема с использованием деформирующих роликов открытой калибровки, а р = 20° .
Приведенные выше результаты экспериментальных исследований использованы при проектировании новых технологических процессов ротационной вытяжки цельнометаллических корпусов головных частей реактивных снарядов.
При изготовлении осесимметричных корпусных деталей с переменной толщиной стенки из трубных заготовок из стали 10 методом ротационной вытяжки по действующему технологическому процессу необходимой предварительной термической обработкой является закалка с высоким отпуском. Данная термическая обработка обеспечивает хорошую технологичность при изготовлении детали, требуемые свойства и надежность при эксплуатации и хранении изделия вследствие того, что создает благоприятную структуру в стали - структуру зернистого перлита. Эта термическая операция довольно трудоемкая и энергоемкая, требующая двух нагревов, удлиняет технологический процесс изготовления детали. В связи с этим было предложено в качестве предварительной термической обработки перед ротационной вытяжкой использовать нормализацию как более экономичный вид термической обработки.
Нормализация создает структуру пластинчатого перлита. Структуры пластинчатого типа обладают пониженными величинами значений ударной вязкости по сравнению со структурами зернистого типа, так как пластины цементита создают дополнительные концентраторы микронапряжений, способствующие возникновению микротрещины.
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований по определению вида необходимой предварительной термической обработки для стали 10 при изготовлении осесимметричных корпусных деталей с переменной толщиной стенки из трубных заготовок методом ротационной вытяжки; определение возможности замены закалки с высоким отпуском по действующему техпроцессу на нормализацию.
Исходными заготовками для экспериментальных исследований являлись заготовки из труб 0 325 х 18 длиной 690 мм из стал и 10 по ГОСТ 8731-74, подвергнутые калибровке и дальнейшей обработке:
1) закалке и отпуску по режиму:
закалка: температура Тзак =940±10 0С, время выдержки 1выд = = 20.25 мин, нагрев печной, охлаждение в воде;
отпуск: температура Тотп =690±10 0С (при проведении отпуска фактическая температура отпуска была выше критической температуры), время выдержки 1выд = 60.65 мин, нагрев печной, охлаждение на воздухе.
2) нормализации по режиму: температура Тнор =910±100С, время
выдержки 1выд =35 мин, нагрев печной, охлаждение на воздухе.
После предварительной термической обработки заготовки подвергали механической обработке и ротационной вытяжке с различными степенями деформации в соответствии с действующим технологическим процессом:
1) ротационная вытяжка первая со степенью деформации е =40 %;
2) отжиг рекристаллизационный смягчающий: температура Тотж =610.640 0С, время выдержки 1выд = 30 мин;
3) ротационная вытяжка вторая со степенью деформации е = 50, 70, 80, 85 %.
Здесь е = (1 - ? / ?0 )100 %; 10 и ? - толщина стенки исходной заготовки и полуфабриката соответственно.
После ротационной вытяжки трубы подвергали отжигу, уменьшающему внутренние напряжения по режиму: температура
Тотж =330.360 0С, время выдержки 1выд = 30 мин.
Экспериментальные работы по ротационной вытяжке проводились на стане СХП-2 по схеме с разделением очага деформации между роликами. Станок оснащен 3-роликовой кареткой с гидравлическим приводом осевого перемещения. В качестве давильных элементов использовались
три ролика, расположенные по периметру окружности под углами 120° , диаметрами В =220 мм, с радиусами закругления ролика г =3 мм, высотой
калибрующего пояска Ъ =3 мм, с рабочим углом первого ролика а р1 = 15°,
второго и третьего - ар2 = ар3 = 30°, с задними углами аз = 30°. Рабочий инструмент (ролики и оправка) изготавливался с твердостью 56...62 ИЯСэ.
Трубы, обработанные по вышеописанной методике, разрезали на кольца длиной 250 мм. Каждое кольцо было предварительно деформировано на определенную степень деформации. Из колец изготовили по 12 продольных и поперечных образцов по ГОСТ 1497-84 для определения механических свойств в продольном и поперечном направлениях и по 12
поперечных образцов по методикам ТЧ 5157 и 4722 для определения ударной вязкости при температуре + 20 (ап+20) и - 50 0С (ап-50). В качестве основных механических характеристик принимались условный предел текучести О0 2, временное сопротивление о в, относительные максимальные удлинение 8 образца. Эти величины вычислялись в соответствии с ГОСТ 1497-84.
Образцы для определения механических свойств испытывали на 10тонной машине фирмы «ОЬБЕК», а для определения ударной вязкости - на маятниковом копре КМ-05. Для определения значений ап-50 образцы охлаждали в смеси льда и спирта.
Для исследования микроструктуры стали 10 после закалки с высоким отпуском и нормализации изготовили микрошлифы в плоскости образца, перпендикулярной оси трубы. Для выявления микроструктуры травление образцов проводили в 4 %-ном растворе азотной кислоты в спирте. Микроструктуру исследовали с помощью микроскопов МИМ-8М и КЕО-РНОТ2.
Механические свойства стали 10 после ротационной вытяжки с различными степенями деформации с предварительной закалкой и высоким отпуском или нормализацией приведены в табл. 2. Металлографический анализ стали 10 показал, что после закалки с высоким отпуском микроструктура состоит из зерен феррита 9-го балла по ГОСТ 5639-65, зернистого перлита, расположенного как в стыке зерен, так и по границам зерен и выделений третичного цементита по границам зерен пластинчатого характера, что свидетельствует о повышении температуры при отпуске выше критической температуры (приблизительно до 750 0С). Выделения третичного цементита по границам зерен сильно охрупчивают сталь. Этим объясняется то обстоятельство, что значения ударной вязкости стали 10 после закалки и отпуска находятся на уровне значений ударной вязкости нормализованной стали 10 (табл. 2).
Микроструктура стали 10 после нормализации состоит из зерен феррита 7-го балла по ГОСТ 5639-65 и участков пластинчатого перлита.
Из приведенных в табл. 2 данных следует:
1. Механические свойства стали 10 после закалки и высокого отпуска и после нормализации незначительно отличаются по величине значений. Анизотропия механических свойств вдоль и поперек направления проката незначительна (наблюдается лишь небольшая разница в значениях относительного удлинения в продольном и поперечном направлениях).
2. При увеличении степени деформации происходят рост значений условного предела текучести о0,2 и временного сопротивления ов и падение относительного максимального удлинения 8. У предварительно закаленной и отпущенной стали 10 значения временного сопротивления разрыву ов и предела текучести о0,2 непрерывно взрастают с увеличением
степени деформации. Значения вышеназванных величин у предварительно нормализованной стали 10 растут до 710.720 МПа при степени деформации 70 %, а при дальнейшем ее увеличении остаются на этом же уровне.
Прочностные характеристики стали 10 после предварительной закалки с отпуском и после нормализации при степенях деформации 50, 70 % имеют величины значений одного уровня; при степени деформации 80 % величины Ов и 00 2 на 60.100 МПа выше у предварительно закаленной и отпущенной стали 10.
Относительное максимальное удлинение стали 10 (в продольном направлении) у предварительно закаленной и отпущенной заготовки при степени деформации 50 % на 6 % выше, чем у предварительно нормализованной заготовки. При степенях деформации 70, 80 % значения относительного удлинения находятся на одном уровне.
Значения ударной вязкости закаленной и отпущенной, а также нормализованной стали 10 изменяются незначительно при снижении температуры испытания от + 20 до - 50 0С при всех исследуемых степенях деформации. В исходных состояниях (без деформации) значения ап+20 приблизительно в два раза превышают значения ап _ 50.
Таблица 2
Механические свойства стали 10 после ротационной вытяжки с различными степенями деформации и предварительной и окончательной термической обработки
Предварительная термообработка Степень деформации, Є, % Окончательная термообработка Механические свойства
о в о 0,2 5, % ап
МПа МПа % Кгс.м/мм2
Попер/ прод. Попер/ прод. Попер/ Прод. ап+20 / ап-50
1 2 3 4 5 6 7
Нормализация Исходное (после нормализации) состояние 412/428 263/285 42/36,0 16,5/6,9
40 ОРС 415/410 300/305 31/35,0 7,5/4,9
50 ОУН 637/643 617/623 10/14,2 3,0/3,0
70 ОУН 710/713 687/713 9,2/9,7 2,2/1,9
80 ОУН 712/727 690/720 -/8,9 1,9/2,1
Закалка и отпуск Исходное (после закалки с отпуском) состояние 438/433 290/291 38,0/33,7 15,7/7,2
40 ОРС 410/422 263/278 35,0/36,0 7,5/5
50 ОУН 663/677 -/653 11,7/19,8 2,2/2,2
70 ОУН 733/737 -/687 6,8/9,8 2,2/1,8
80 ОУН 815/803 -/770 4,2/9,7 1,9/2,2
85 ОУН 880/847 -/830 5,3/8,0 2,0/1,7
3. Различие величин временного сопротивления Ob и условного предела текучести Oq 2 вдоль и поперек направления проката незначительно при всех исследуемых степенях деформации. Значения относительного удлинения 5 в продольном направлении заготовки из стали 10, предварительно закаленной и отпущенной при температуре выше критической, в 1,5.2 раза выше, чем в поперечном.
Работа выполнена по ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)», грантам РФФИ и по государственному контракту в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
Список литературы
1. Гредитор М. А. Давильные работы и ротационное выдавливание. М.: Машиностроение, 1971. 240 с.
2. Могильный Н.И. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. М.: Машиностроение, 1983. 192 с.
3. Яковлев С.С., Трегубов В.И., Яковлев С.П. Ротационная вытяжка с утонением стенки осесимметричных деталей из анизотропных трубных заготовок на специализированном оборудовании. М.: Машиностроение, 2009. 265 с.
D. Dudka, V. Tregubov
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS AND THE KIND OF THERMAL PROCESSING BEFORE THE ROTATIONAL EXTRACT ON MECHANICAL PROPERTIES SEMIFINISHED PRODUCT
Results of experimental researches of influence technologists-cheskih of parameters and a kind of thermal processing before a rotational extract on mechanical properties of a semifinished product are presented.
Key words: technological process, thermal processing, rotatsi-onnaja an extract, a mandrel, a roller, trumpet preparation, a giving step, degree deforma-tsii.
Получено 07.06.11
