CC BY
14
Lavrinenko Vladislav Yurievich, doctor of technical sciences, professor, vlavrinen-ko@,bmstu.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,
Govorov Valery Alexandrovich, student, goworow.valerii@,gmail.com, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman
УДК 621.73.043; 621.365.511
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ, СОВМЕЩЕННОГО С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ
В.В.Громов, С.А.Евсюков
Анализируется способ изотермического деформирования, при котором равномерное температурное поле внутри заготовки поддерживается за счёт тепловыделения при протекании переменного электрического тока через контактную поверхность образца и формоизменяющего инструмента. Даются рекомендации по подбору штам-повых сталей и сплавов, смазки и трансформаторного оборудования для реализации данного способа штамповки.
Ключевые слова: изотермическое деформирование, электроконтактныйна-грев, штамп, термопара.
Изотермическое деформирование позволяет получать поковки с высоким квалитетом точности, в том числе сложной формы с тонкими полотнами и рёбрами, выступами и полостями, резкими перепадами сечений и другими элементами, характеризующимися большим отношением площади поверхности к объёму, из сталей и сплавов, имеющих узкий интервал температур штамповки.
Несмотря на все вышеизложенные преимущества, изотермическая штамповка имеет достаточно узкий круг применения. Основной причиной этого является несовершенство существующих способов изотермического деформирования. Нагрев и последующее поддержание высоких температур штампового инструмента осуществляются либо индукторами, либо устройствами, передающими тепловую энергию от элементов электрического сопротивления. Опорные плиты приходится охлаждать водой. Всё это ведёт к большим затратам электрической энергии. Кроме того, штам-повый инструмент приходится ограждать теплоизолирующими конструкциями, что ухудшает габаритные параметры, требуя для эксплуатации крупногабаритные гидравлические прессы, и затрудняет укладку заготовки в матрицу штампа (рис. 1).
Рис.1. Внешний вид устройства для изотермического деформирования
Решением вышеперечисленных проблем изотермической штамповки может стать технология, при которой тепловые потери в период осуществления деформации компенсируются за счёт энергии, выделяемой при протекании электрического тока через металл заготовки и формоизменяющий инструмент.
Для осуществления данной технологии необходимо разработать принципиальную схему устройства и подобрать штамповые стали и сплавы для его реализации.
Основной проблемой при реализации деформации, совмещённой с контактным нагревом, является то, что использовать пирометр в качестве температурного датчика невозможно (такого рода датчики используются при электровысадке и установках контактного нагрева), так как заготовка находится внутри матрицы штампа. В качестве температурного датчика необходимо использовать термопару, расположенную внутри формоизменяющего инструмента.
Для определения корреляционных зависимостей между температурой заготовки и температурой на различных элементах формоизменяющего инструмента был проведён эксперимент. Результаты этого эксперимента позволяют сделать выводы о возможности обеспечения температуры заготовки в заданных пределах в зоне деформации без непосредственного контакта с заготовкой.
Основная часть. Принципиальная схема устройства
Задачами разработки устройства изотермического деформирования, совмещенного с контактным нагревом, является снижение энергозатрат на нагрев штампа в зоне непосредственного контакта заготовки с поверхностью штампа и на последующее поддержание необходимой температуры, а также снижение габаритов и массы устройств нагрева. Сущность предлагаемого устройства поясняется графическим материалом, представленном на рис. 2.
Устройство работает следующим образом. На токоведущие пластины 6 и 7 подаётся с обмоток понижающего трансформатора переменное напряжение. На нижний штамп 3 кладётся предварительно нагретая заго-
товка 1. Верхняя опорная плита 10 начинает двигаться вниз. В момент касания заготовки 1 с поверхностью верхнего штампа 2 начинает протекать ток, обеспечивая нагрев поверхностей верхнего 2 и нижнего 3 штампов. Температура штампов регулируется изменением мощности электрического тока, протекающего через устройство. Движение плиты 10 происходит до тех пор, пока не будет осуществлено окончательное формоизменение. Представленное устройство для изотермического деформирования запатентовано [1].
Рис. 2. Принципиальная схема штампового блока для изотермической штамповки с электроконтактным нагревом: 1 - заготовка; 2 - верхний штамп; 3 - нижний штамп; 4 - верхний штамподержатель; 5 — нижний штамподержатель; 6 - верхняя токоведущая плита; 7 - нижняя токоведущая плита; 8 - верхняя
термостойкая электроизоляционная плита; 9 - нижняя термостойкая электроизоляционная плита; 10 - верхняя опорная плита; 11 - нижняя опорная плита; 12 - теплоизоляционный кожух верхнего штампа; 13 - теплоизоляционный кожух нижнего штампа
Выбор материала для штампового инструмента
Материал штампа должен обладать определённым запасом прочности при температуре деформации, стабильно работать при длительном пребывании в условиях высоких температур, не подвергаться окислению. В качестве штамповых материалов для изотермической штамповки в отечественной практике применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе ЖС6-К, ЖС6-У, MarM200, Ш00, 700, ВКНА.
51
Применять вышеперечисленные сплавы следует при штамповке поковок из легированных сталей и титановых сплавов. При изготовлении изделий из алюминиевых сплавов и небольших партий поковок можно использовать более дешёвые и менее прочные сплавы. Как показал опыт, для деформации алюминиевых сплавов можно использовать вставки из стали 5ХНМ. При штамповке партий до 100 штук из титановых сплавов за рубежом применяют сплав Никрозил (чугун с 20% №) [2]. При температурах деформации свыше 1000°С целесообразно использовать сплавы на основе молибдена TZM4605. Однако такие сплавы работоспособны преимущественно в безокислительной среде, что усложняет конструкцию штампа [3].
Основным показателем работоспособности штампового материала при изотермической штамповке является отношение предела текучести материала штампа к пределу текучести деформируемого сплава при температуре деформации. При величине этого отношения более трёх обеспечивается высокая стойкость штампа, так как удельные усилия, возникающие в отдельных частях ручья при изотермическом деформировании, не более чем в 3 раза превышают предел текучести деформируемого сплава. Поскольку предел текучести деформированного сплава зависит от скорости деформации, то, снижая скорость, можно подобрать такой режим обработки, при котором условие запаса прочности будет выполнено [4].
Если штамповые вставки изготовляют из сплава с высокой прочностью, то менее ответственные детали (подкладные плиты, выталкиватели и др.) можно изготовлять из материалов с меньшей жаропрочностью.
Электрическая схема установки
Предлагаемая электрическая схема установки для изотермического деформирования, совмещённого с контактным нагревом, представлена на рис. 3.
Рис.3.Электрическая схема устройства для изотермического деформирования, совмещённого с контактным нагревом: 1 - заготовка; 2 - верхний штамп; 3 - нижний штамп; 4 - термопара; 5 - понижающий трансформатор; 6 - симистр; 7 - устройство
управления 52
Сигнал обратной связи
Управляющий сигнал
Температура замеряется с помощью термопары 4, вмонтированной в нижнюю штамповую вставку 3. Сигнал обратной связи поступает на устройство управления 7, в котором формируется управляющий сигнал. Данный сигнал, открывая и закрывая симистр, обеспечивает управление электрической энергией.
Экспериментальное исследованиештамповки детали типа «зубчатая полумуфта»
Для исследования процессов изотермического деформирования, совмещенного с контактным нагревом, был проведен ряд экспериментов [5,6]. В частности, была произведена штамповка детали типа «зубчатая полумуфта» из высокопрочного алюминиевого сплава АМг6 (рис.4).
Рис. 4. Зубчатая полумуфта, полученная в результате штамповки, совмещённой с контактнымэлектронагревом
Целью эксперимента наряду с определением усилия деформации было определение корреляционных зависимостей температуры заготовки и температуры на различных элементах формоизменяющего инструмента. Выявленные корреляции позволят управлять температурой заготовки в зоне деформации без непосредственного контакта температурного датчика с самой заготовкой.
Эксперимент проводился с использованием испытательного комплекса 01ееЬ1е 3800. Схема размещения температурных датчиков на формоизменяющем инструменте представлена на схеме рис. 5.
На рис. 6 изображены формоизменяющий инструмент в разобранном виде и заготовка для осуществления штамповки, совмещённой с контактным электронагревом, а на рис. 7 - данный инструмент в собранном виде на экспериментальной установке.
53
Рис. 5. Схема формоизменяющего инструмента: 1 - образец, подвергаемый испытанию; 2 - пуансон; 3 - кольцо; 4 - штамповая вставка; 5 - втулка с отверстием; 6 - медные контакты подвижной траверсы; 7 - медные контакты неподвижной траверсы; 8 - термопара № 1; 9 - термопара № 3; 10 - термопара № 2
Рис. 6. Экспериментальный формоизменяющий инструмент
и заготовка
Рис 7. Формоизменяющий инструмент на экспериментальной
установке
54
Для осуществления деформации был выбран сплав с узким температурным интервалом ковки и штамповки, составляющим 420...475°С. Данный температурный интервал нельзя обеспечить при штамповке холодным формоизменяющим инструментом. Кроме того, поковки, имеющие малую массу, при прочих равных условиях имеют большое отношение площади поверхности к объёму, что способствует их быстрому охлаждению. Таким образом, поддержать температуру в интервале 450±2 °С другим способом не представляется возможным.
Заготовка смазывалась никель-графитовой смазкой. Движение формоизменяющего инструмента было ограничено 6 мм (учитывались упругие деформации и выбор имеющихся зазоров). Скорость движения траверсы 1 мм/с.
В ходе деформации матрица штампа полностью была заполнена и часть металла выдавилась в зазор. Зазор между пунсоном и втулкой составлял от 0,1 до 0,2 мм. Усилие на траверсе в ходе нагрева заготовки было установлено на уровне 500 Н, что соответствует удельной нагрузке в месте контакта с пуансоном, равной примерно 1,8 Мпа, и в месте контакта с штамповой вставкой - 9,95 МПа. При этом фиксировалась температура термопар 1,2,3 в градусах Цельсия.
Из графика, представленного на рис. 8,видно, что нагрев идёт равномерно и температуры на термопарах 1 и 3 устойчиво выходят на заданный уровень в 450°С. Между тремя кривыми видна корреляционная зависимость. Однако, если в ходе нагрева и последующей деформации разность температурных показаний между термопарами 1 и 3 колебалась от 0 до 12 °С, то между 1 и 2 - от 48 до 92 °С.
Термопара 1 Термопара 2 Термопара 3
50 0
01 Г^ (Л ^ О) О)
(чечтсл^^тьпююг^г^оооо
Рис 8. График изменения температуры на термопарах 1,2,3
от времени (секунда х10)
55
Анализ представленных графиков позволяет сделать вывод о том, что управление температурой заготовки в зоне деформации можно осуществлять, используя сигнал от термопары, расположенной в штамповом инструменте. Это обеспечивает изменение температуры заготовки по заданному закону с точностью ±12°С.
Заключение
1. Разработанная принципиальная схема оборудования позволяет реализовать процесс изотермического деформирования, совмещенного с контактным нагревом.
2. Для штамповки сталей и сплавов на основе титана и никеля рекомендованы материалы, необходимые для производства штамповых вставок, - ЖС6-К, ЖС6-У, Mar M200, In100, Udimet 700, ВКНА, Никрозил, TZM4605. Для штамповки изделий на основе алюминия рекомендуется использовать сталь 5ХНМ.
3. Электрическая схема установки обеспечивает эффективное управление температурой заготовки. Отклонение температуры термопары, вмонтированной в штамповый блок от температуры заготовки, не превышает 12°С, что позволяет обеспечить температуру формоизменения в пределах температурного интервала штамповки для сплава АМг6.
Список литературы
1. Устройство для изотермического деформирования: пат. № 91904РФ.Заявлено 30.10.2009.
2. TitaniumDiesCastbyShawProcess // ModernMetals. 1968.Vol. 24. P.
12.
3. Кайбышев О. А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984. 264 с.
4. Изотермическое деформирование металлов / С.З.Фиглин, В.В.Бойцов, Ю.Г.Калпин, Ю.И Каплин. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.
5. Аксёнов Л.Б., Громов В.В. Изотермическое деформирование с электроконтактным нагревом //Заготовительное производство в машино-строении.2012.10. С. 14-17.
6. Громов В.В. Поддержание равномерной температуры деформации электроконтактным нагревом при осуществлении изотермической штамповки // Металлообработка. 2010. № 4(58). С. 18-29.
Громов Валерий Владимирович, етарший преподаватель, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Евсюков Сергей Александрович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, [email protected], Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана
DEVICE FOR ISOTHERMAL DEFORMATION, COMBINED WITH ELECTRIC HEATING
V. V. Gromov, S.A. Evsukov
The paper analyzes the method of isothermal deformation, in which a uniform temperature field inside the workpiece is maintained by heat dissipation during the flow of alternating electric current through the contact surface of the sample and the forming tool and provides recommendations for the selection of die steels and alloys, lubricants and transformer equipment for the implementation of this method of stamping.
Key words: Isothermal metal forming, resistance heating.
Gromov Valeriy Vladimirovich, senior lecturer, [email protected], Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,
Evsyukov Sergey Alexcandlovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair,[email protected], Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman
УДК 621.983; 539.374
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗДЕЛИЙ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ТРЕХСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ ВЯЗКОГО ТЕЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА
С.Н. Ларин, Ю.В. Бессмертная
Представлены результаты исследований математической модели формообразования стрингерных трехслойных конструкций из листовых заготовок из алюминиевых и титановых сплавов, проявляющих установить зависимость изменения свойств от скорости деформирования в условиях кратковременной ползучести. Оценено напряженно-деформированное состояние с учетом развивающейся анизотропии механических свойств.
Ключевые слова: формоизменение, трёхслойные листовые конструкции, каналы трапециевидной формы, вязкое течение, деформации, сила.
По полученным в работах [1 - 3] соотношениям были изучены силовые режимы, определена рациональная геометрия инструмента и изделий, критические режимы формовки, напряжения и деформации в формуемой заготовке. За основу был взят закон изменения давления, и в зависимости от времени деформирования были исследованы перечисленные выше параметры в условиях изотермического формоизменения. Также было проведено уточнение полученных результатов с учетом анизотропии механических свойств формуемой конструкции. Все исследования выполнялись для труднодеформируемых сплавов, требуемые характеристики которых представлены в материалах работ [2 - 13].
