Инструментальные стали, жаропрочные стали и сплавы обладают пониженной пластичностью и высоким сопротивлением деформированию. Допустимые степени деформации таких материалов лежат в пределах 40…90 %. При горячей объемной штамповке заготовок применяют водно-графитовые смазки, сульфитно-спиртовую барду, соляной раствор с добавками селитры и масляные смазки. В некоторых случаях используют стеклосмазки и стеклоэмали. Для тяжелых условий эксплуатации штампов рекомендуются смазки, например, суспензия жидкого стекла (15…20 %) и коллоидного графита (10…15 %) и 30 % эмульсии КРПД (10 % олеиновой кислоты, 4 % триэтаноламина, остальное минеральное масло И-20А).
Назначение припусков, допусков и напусков, а также проектирование технологического процесса получения на молотах заготовок из труднодеформируемых жаропрочных сталей и сплавов имеет ряд особенностей. Чтобы исключить возможность образования в заготовке разнозернистой структуры, штамповку производят при степени деформации, превышающей критическую (5…15 %). Температура штамповки при этом должна быть выше температуры рекристаллизации, а степень деформации за один нагрев – не менее 15…20 %. Для получения оптимальной структуры и предупреждения образования трещин в заготовках из труднодеформируемых жаропрочных сплавов целесообразно штамповать крупные поковки на гидравлических прессах с применением инструмента из жаропрочного материала, нагретого до 600…800 о С.
Штамповка цветных металлов и сплавов имеет ряд специфических особенностей.
Штамповку алюминиевых сплавов
проводят на молотах, гидравлических и винтовых прессах.
Реже используются кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). Наиболее высокие механические свойства при штамповке алюминиевых сплавов и наименьшую анизотропию получают при общей деформации 65…75 %. Критические деформации лежат в пределах 12…15 %, поэтому штамповку сплавов следует проводить с обжимом заготовки за каждый ход машины на 15…20 % и более. При изготовлении сложных поковок штамповку осуществляют за несколько переходов. Для штамповки малопластичных сплавов используются закрытые штампы. Хрупкие алюминиевые сплавы типа системы алюминий-берилий и спеченные алюминиевые порошки штампуют с противодавлением или с применением пластичных оболочек.
Штамповку магниевых сплавов следует осуществлять при степени деформации более 15 % на каждом переходе. Для этого используют механические и гидравлические прессы, а также молоты. Большинство магниевых сплавов становятся более пластичными при уменьшении скорости деформации, общая степень деформации при штамповке может достигать 70…80 %.
Объемную штамповку меди и медных сплавов осуществляют при температурах нагрева 900…950 о С, при этом за каждый ход пресса степень деформации должна превышать 15 %.
Титановые сплавы при объемной горячей штамповке деформируются крайне неравномерно с образованием разнозеренной структуры. Деформация титанового сплава за каждый ход пресса должна превышать критическую, равную 15…20 %. Общая степень деформации не должна быть более 85…90 %. Штамповку рекомендуется осуществлять в открытых штампах на молотах, винтовых, кривошипных и гидравлических прессах. Для предотвращения газонасыщения поверхности заготовки и образования альфированного слоя при нагреве на титановую заготовку рекомендуется нанести защитно-смазочное покрытие из стекла, эмали или водно-графитовой смеси.
Производство штамповок дисков из жаропрочных никелевых и титановых сплавов. Для решения важнейшей задачи обеспечения производства малоразмерных газотурбинных двигателей экономичными, высококачественными заготовками дисков из высокожаропрочных никелевых и высокопрочных титановых сплавов с эффективными технико-экономическими показателями разработан комплекс принципиально новых технологий, реализованных на вновь созданном специализированном уникальном оборудовании для выплавки и обработки давлением, не имеющих аналогов в отечественной и зарубежной промышленности.
Разработанный технологический процесс предполагает использование в качестве исходной заготовки для изотермической штамповки в режиме сверхпластичности как серийного пресс-прутка, так и впервые в мировой практике непосредственно мерного слитка, полученного методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК).
Для реализации данного процесса в институте разработана специальная технология производства жаропрочных сплавов, включающая глубокое обезуглероживание и рафинирование расплава, применение шихтовых материалов повышенной чистоты по примесям, комплексное рафинирование редкоземельными металлами, использование всех видов отходов металлургического и литейного производств жаропрочных сплавов.
Разработанная технология обеспечивает ультравысокую чистоту жаропрочного сплава по примесям, достижение узких интервалов легирования, экономию дорогих и дефицитных материалов.
Создана не имеющая аналогов в мировой практике высокоградиентная технология направленной кристаллизации, для реализации которой впервые в отечественной и зарубежной практике спроектированы и изготовлены на производственной базе ВИАМ специализированные вакуумные плавильно-заливочные комплексы с компьютерными системами управления для высокоградиентной направленной кристаллизации заготовок из гетерофазных сплавов под деформацию УВНК-14, УВНК-10. В ВИАМ создана единая система компьютерного управления технологическими процессами литья заготовок.
Во ФГУП «ВИАМ» разработаны принципиально новые способы термомеханической обработки труднодеформируемых гетерофазных сплавов, обеспечивающие формирование регламентированных структур с повышенной технологической пластичностью и проявлением сверхпластичности при оптимальных температурно-скоростных параметрах деформации.
В результате разработана уникальная технология обработки давлением, обеспечивающая изготовление заготовок дисков сложной геометрии с гарантированным уровнем свойств из сложнодеформируемых никелевых сплавов – изотермическая штамповка на воздухе.
В качестве основного механизма для достижения пластичности металла и однородности его структуры используется процесс контролируемой динамической рекристаллизации.
Отличительной особенностью новой комплексной энерго-и ресурсосберегающей технологии, по сравнению с зарубежными, является то, что высокотемпературная изотермическая штамповка производится на воздухе, а не в конструкционносложных вакуумных установках с молибденовыми штампами.
В отличие от применяемой за рубежом штамповки в вакуумной атмосфере, впервые в отечественной практике разработаны и применены высокоресурсный жаропрочный сплав для штампов и специальные защитные антиокислительные покрытия, являющиеся одновременно высокотемпературной смазкой при деформации.
Разработаны специальные защитные технологические высокотемпературные эмалевые покрытия для защиты деталей из жаропрочных Ni и Ti сплавов. Разработанные в ВИАМ защитные технологические покрытия позволяют производить безокислительный технологический нагрев сталей в обычных печах вместо печей с контроллируемой атмосферой. Применение защитных покрытий в технологических процессах позволяет получать точные штамповки, экономить металл до 30%, электроэнергию – до 50%. Покрытия повышают стойкость штамповой оснастки в 2–3 раза.
Для практической реализации разработанных технологий в ВИАМ создано опытно-промышленное производство по изготовлению штамповок дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок. Проведена модернизация технологического оборудования, позволяющая осуществлять в автоматическом режиме процессы нагрева и формоизменения заготовки по разработанной компьютерной программе с точным исполнением оптимальных термомеханических параметров деформации. Изготовление штамповок осуществляется на изотермических прессах усилием 630 и 1600 тс с индукционным нагревом штампов.
Для изотермической штамповки при температурах до 1200°С на воздухе разработана композиция высокоресурсного жаропрочного штампового сплава, а также защитно-технологические покрытия, являющиеся одновременно эффективными технологическими смазками при штамповке. Разработанные технологии и комплекс созданного оборудования для их осуществления не имеют аналогов в отечественной и зарубежной промышленности, а технология высокотемпературной изотермической штамповки на воздухе превосходит мировой уровень.
Технология обеспечивает:
- получение экономичных высокоточных штамповок из высокожаропрочных труднодеформируемых сплавов за счет реализации эффекта сверхпластической деформации при оптимальных термомеханических параметрах;
- увеличение коэффициента использования материала КИМ в 2–3 раза за счет уменьшения технологических припусков в процессе штамповки и механической обработки;
- снижение трудоемкости и энергоемкости производства в 3–5 раз за счет сокращения операций при штамповке и механической обработке деталей;
- повышение производительности процесса в 4–5 раз;
- повышение однородности макро- и микроструктуры и снижение дисперсии механических свойств в 1,5–2 раза;
- снижение стоимости штамповок на 30–50%.
Короткий путь http://bibt.ru
8. Особенности штамповки деталей из магниевых сплавов, нержавеющих и жаропрочных сталей.
Схема штампа с утопающими опорами.
Вырубку деталей из магниевых сплавов (толщина заготовки до 2 мм) в отожженном состоянии и пробивку отверстий осуществляют без подогрева. Вырубка заготовок большей толщины, а также гибка, отбортовка и вытяжка осуществляются при нагреве заготовки до температуры 360° С.
Для вырубки деталей и пробивки в них отверстий рекомендуется применять штампы совмещенного действия со скошенными режущими кромками на матрице.
Рис. 28. Схема штампа с утопающими опорами : 1 - опора утопающая; 2 - заготовка
23. Значения коэффициента усадки
Для снижения теплоотдачи нагретого материала следует ставить опоры, обеспечивающие воздушную прослойку (рис. 28); штамп не нагревают.
При штамповке с подогревом заготовки исполнительные размеры детали L" (в мм) рассчитывают с учетом усадки
L"=L д (1+β) (85)
где L д — размер по чертежу детали в мм; β— коэффициент, учитывающий линейное расширение при нагреве.
Для сплава МА8-М значения β в зависимости от температуры нагрева принимаются по табл. 23.
Детали из нержавеющих и жаропрочных сталей штампуют без нагрева заготовок. Для восстановления структуры металла детали после штамповки подвергают термической обработке.
Таблица 10
Технические данные абразивно - отрезного станка модели 8552 .
Абразивный материал выбирают в зависимости от вида разрезаемого металла. Для разрезки сталей или жаропрочных сплавов рекомендуют круги из электрокорунда. Зернистость выбирают в зависимости от режима работы и требуемых шероховатости и точности поверхности реза. Для разрезания сталей применяют круги с менее крупным зерном, чем для цветных металлов. Твердость круга должна быть такой, чтобы при работе абразивные зерна выкрашивались по мере затупления, образовывались новые режущие грани и обнажались новые зерна. Преимущества абразивной разрезки: высокая геометрическая точность и малая шероховатость поверхности, среза (R а = 0,32 - 1,25 мкм), возможность разрезки высокопрочных металлов любой твердости, высокая производительность .
4.7. Нагрев заготовок под штамповку
Процессы ковки и штамповки, осуществляемые при высоких температурах, можно рассматривать как совместные процессы ОМД и термического воздействия на них. Тепловые воздействия на металл приводит к потере им упругих свойств, существенному уменьшению его сопротивления деформации и к резкому повышению пластичности. В процессе горячей ОМД происходит снятие появляющихся напряжений, в частности при возврате и рекристаллизации металла.
Оптимальный режим штамповки должен обеспечить необходимые условия для успешного проведения процесса, а также высокое качество поковок, при котором вредное влияние тепла ограничивается. Поэтому термический режим разрабатывается для каждого сплава с учетом исходной структуры металла, его объёма, соотношения размеров заготовки и назначения поковки. Одной из главных задач при разработке технологического процесса является определение соответствующего температурного интервала, т. е. температуры начала и конца обработки металла. Для правильного выбора температурного интервала необходимо учитывать следующие факторы:
- Металл должен обрабатываться давлением в температурном интервале максимальной пластичности. Для этой цели для большинства сплавов построены диаграммы пластичности, представляющие собой совокупность температурных зависимостей прочностных и пластических характеристик сплава.
Металл необходимо деформировать в состоянии, соответствующем области твердого раствора сплава без малейших признаков перенагрева или пережога и желательно заканчивать деформацию при таких температурах, чтобы не происходило вторичных фазовых превращений. Для этих целей используется анализ диаграммы состояния сплава .
Деформацию следует производить при таких температурах, когда в процессе ее происходит измельчение структуры, а не рост зерен. Эта информация устанавливается при анализе диаграммы рекристаллизации сплава.
Для сплава ЭИ868 температурный интервал под горячую объемную штамповку составляет от 1130 до 1150 0 С . Для сплава ЭИ868 рекомендуется применять нагрев в электрической печи. Электронагрев по расходу энергии на тонну заготовок менее экономичен, чем нагрев в пламенных печах. Однако его широко применяют, так как он повышает производительность труда, позволяет провести полную автоматизацию и обеспечить высокую стабильность процесса, улучшить условия труда и сократить потери металла на окалинообразование .
Потеря металла в виде окалины при нагреве в печах электросопротивления составляет 0,2 - 0,4 % массы нагреваемого металла, что почти в десять раз меньше, чем при нагреве в пламенных печах. Уменьшение окалины повышает качество поковок и увеличивает стойкость штампов кузнечно-прессового оборудования. Технологические преимущества электронагревательных устройств особенно эффективны в серийном поточном производстве.
В данном технологическом процессе предлагается использовать карусельную нагревательную печь электросопротивления, температура в печи 1140 ± 5 0 С, количество заготовок в печи - 50 штук. Время нагрева одной садки около 1,15 часа при разогреве печи или 0,3 часа в условиях работы с предварительно нагретой печью. Температуру в печи контролируют с помощью оптического пирометра М90 - Р1 с записью в специальном журнале. В табл. 12 приведены технические характеристики карусельной нагревательной печи.
Таблица 12
Технические характеристики печи электросопротивления .
4.8. Горячая объемная штамповка
4.8.1. Определение потребного усилия пресса и выбор технологического оборудования
В новом варианте технологического процесса штамповка производится на винтовом фрикционном прессе. Свободный ход фрикционного пресса позволяет деформировать металл в каждом ручье штампа за несколько ударов. Достигаемая при этом дробная деформация может быть в сумме даже больше деформации эквивалентного кривошипного горячештамповочного пресса. Возможность использования нижнего выталкивателя значительно расширяет номенклатуру штампуемых изделий и позволяет работать с небольшими штамповочными уклонами, а в разъёмных по вертикали матрицах - даже без уклонов для полостей, "попадающих в плоскость разъёма. Фрикционные прессы имеют относительно большую скорость деформирования по сравнению с другими прессами, однако течение металла при штамповке на этих прессах аналогично штамповке на других прессах. В последние годы фрикционные прессы значительно модернизировали, они стали более быстроходными, а в некоторых конструкциях выполнено хорошее направление ползуна, что позволяет производить штамповку в многоручьевых штампах. В данном случае штампуется сразу две детали. В таблице 13 приведена техническая характеристика фрикционного пресса.
Определим потребное усилие пресса.
В таблице 13 приведены технические параметры фрикционного пресса, рекомендуемого для горячей объемной штамповки.
Таблица 13
Технические характеристики винтового фрикционного пресса.
4.8.2 Технология изготовления штампа и материалы для изготовления штампов
Штампы для горячей объемной штамповки работают в очень тяжелых условиях. Они подвергаются многократному воздействию высоких напряжений и температур. Интенсивное течение горячего металла по поверхности штампа вызывает истирание ручья, а также дополнительный нагрев инструмента. На поверхности ручья образуются так называемые разгарные трещины. Поэтому штамповые стали должны отличатся высокими механическими свойствами, сочетая прочность с ударной вязкостью, износостойкостью, разгаростойкостью и сохранять эти свойства при повышенных температурах.
Материалы для штампов должны хорошо прокаливаться при термообработке и обрабатываться на металлорежущих станках. Желательно, чтобы штамповая сталь не содержала дефицитных элементов и была дешевой.