Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ШТАМПОВКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ГОРЯЧИХ ШТАМПАХ

Готлиб Б.М. 1 Сергеев Р.Ф. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»
Приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований температурных полей штампов при штамповке крупногабаритных изделий из алюминиевых и высокопрочных сплавов. Определены температурно-временные режимы штамповки крупногабаритных изделий в горячих штампах, приближенные к изотермической штамповке. Экспериментальное исследование температурных полей в штампе выполнено в промышленных условиях на мощном вертикальном гидравлическом прессе усилием 300 МН. Для замера температурных полей использовали термопары, встроенные в тело штампа. Аналитическое исследование нестационарных температурных полей проведено с использованием приближенных вариационных методов. Показано, что штамповка крупногабаритных алюминиевых изделий в горячих штампах может быть реализована в режимах, близких к изотермическим даже без использования дополнительного нагрева штампов встроенными нагревателями. При штамповке крупногабаритных изделий из высокопрочных сплавов можно построить температурно-временной режим штамповки, приближающийся к изотермическому за счет создания временных пауз между штамповкой отдельных изделий. Полученные результаты исследования можно использовать для совершенствования технологии штамповки крупногабаритных изделий на мощных прессах.
горячие штампы
температурное поле
изотермический режим штамповки
мощный пресс
крупногабаритное изделие
1. Готлиб Б.М., Добычин И.А., Готлиб М.Б. Автоматизированные кузнечно-прессовые комплексы (опыт создания и эксплуатации). – Екатеринбург: Изда-во Уральской государственной академии путей сообщения, 1998. – 647 с.
2. Готлиб Б.М., Крещенко И.Н., Сергеев Р.Ф. Интеллектуализация процессов обработки металлов давлением: концептуальное проектирование технологических процессов и систем управления // Интеллектуальные системы управления: коллективная монография. – М.: машиностроение, 2010. – С. 272–287.
3. Готлиб Б.М., Сергеев Р.Ф., Вакалюк А.А. Механические свойства штамповых сталей // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id = 10828 (дата обращения: 24.12.2015).
4. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: машиностроение, 1986. – 240 с.
5. Готлиб Б.М., Сергеев Р.Ф. Повышение стойкости крупногабаритных штампов // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. – URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id = 17043 (дата обращения: 24.12.2015).

Одним из способов получения точных крупногабаритных изделий из легких сплавов и специальных высокопрочных сталей и сплавов методами горячей штамповки является изотермическая штамповка и штамповка крупногабаритных изделий в горячих штампах, нагретых ниже температуры штампуемой заготовки (в условиях, приближающихся к изотермической штамповке). По сравнению с традиционными методами изотермическая штамповка имеет ряд преимуществ, дающих возможность повысить коэффициент использования металла до 0,5...0,9 против 0,1...0,2, а также снизить припуски и повысить точность размеров штампуемых изделий. Применение изотермической штамповки позволяет получать точные изделия с ребрами высотой 100...150 мм и толщиной 1...1,5 мм с минимальными штамповочными уклонами 0...30′. При этом появляется возможность вести процесс горячей штамповки на низких скоростях, используя при необходимости состояние сверхпластичности материала (необходимое условие для осуществления этого процесса состоит в создании равновесной структуры обрабатываемого материала с величиной зерна 5...10 мкм).

Однако возможности изотермической штамповки высокопрочных сплавов в значительной степени ограничены в связи с необходимостью применения штампов из сплавов на молибденовой основе. Применение таких штампов возможно только в вакуумированных установках или инертной среде, что повышает трудоемкость и стоимость процесса штамповки, усложняет конструкцию пресса. Штампы на никелевой основе позволяют осуществлять штамповку на воздухе при температуре до 900...950 °С. Но из этих сплавов нельзя получить штамповые заготовки больших размеров, и, кроме того, они отличаются высокой стоимостью и трудоемкостью при механической обработке.

Все это ограничивает применение изотермической штамповки для получения крупногабаритных изделий из высокопрочных сплавов. В то же время изотермическая штамповка крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов успешно реализована на гидравлических прессах усилием 300 МН в Великобритании (фирма Cameron), России (ОАО «КУМЗ») и во Франции на прессе усилием 650 МН (фирма Cegedur Pehiney). Для штамповки же крупногабаритных изделий из высокопрочных сталей и сплавов на практике нашел применение способ штамповки в горячих штампах, нагретых ниже температуры заготовки (так называемый способ «квазиизотермической» штамповки). В этом случае можно обойтись без изотермической установки для активного обогрева штампового набора [1, 2, 3].

Цель исследования. При штамповке крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов в горячих штампах без активных нагревателей наблюдается медленное снижение температуры штампов в процессе непрерывной штамповки заготовок. При штамповке же изделий из высокопрочных сплавов, наоборот, наблюдается интенсивное повышение температуры рабочей поверхности штампов на 25...40 °С за один цикл штамповки [1]. В процессе непрерывной штамповки 7...8 изделий температура рабочей поверхности штампа достигает предельно допустимых значений 550...580 °С, соответствующих температуре отпуска штампа из стали 5ХНМ [2, 3, 4, 5].

Поэтому необходимо создавать паузы между штамповками для естественного охлаждения штампового набора. Изменяя среднюю скорость штамповки и создавая паузы между штамповкой от одного изделия к другому (в зависимости от фактической температуры штампов), можно изготовить партию изделий в условиях, близких к изотермическим.

Поэтому целью настоящей работы является исследование температурно-временных режимов штамповки крупногабаритных изделий в горячих штампах, приближающих их к изотермической штамповке.

Материалы и методы исследования

Распределение температурных полей в крупногабаритных горячих штампах было получено в результате экспериментального и аналитического исследования процессов штамповки изделий из алюминиевых и титановых сплавов на мощных вертикальных гидравлических прессах.

Экспериментальное исследование температурных полей в штампе выполнялось в промышленных условиях на мощном гидравлическом прессе усилием 300 МН. Для замера температурных полей в штампе высверливали трехступенчатые по глубине отверстия диаметром 28, 18 и 10 мм с различными расстояниями от рабочей поверхности штампа. В отверстия забивали пробки с зачеканенными в них термопарами. Расстояния от спая первой термопары до рабочей поверхности штампа выбирали минимальным, но, исходя из условий прочности штампа, это расстояние составляло не менее 10 мм. Всего в тело штампа для штамповки круглой заготовки из титанового сплава ВТ9 было установлено 7 термопар в трех положениях по радиусу штампа.

Аналитические исследования нестационарных температурных полей при штамповке круглых дисков из титанового сплава ВТ9 проведены с использованием приближенно-аналитической реализации пошагового вариационного метода решения нестационарных связанных краевых задач пластического деформирования (тепловой части связанной задачи) [1].

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 приведены экспериментальные данные об интенсивности охлаждения при отсутствии нагревателя штампового набора в паузах между штамповками на прессе усилием 650 МН (Cegedur Pehiney – Франция). Замер температуры осуществлялся штыковой термопарой [4].

pic_5.tif

Рис. 1. График охлаждения штампового набора на прессе усилием 650 МН: 1 – с изоляцией из асбокартона между штампом и подштамповой плитой; 2 – без изоляции

Слежение за температурой штампового набора вертикального гидравлического пресса усилием 300 МН (масса штампового набора около 58 т), оборудованного нагревателями общей мощностью 350...390 кВт, при штамповке заготовок массой 118...173 кг из алюминиевого сплава Д1 показало, что интенсивность охлаждения штампов (при выключенных нагревателях) в паузу между штамповками составляет 50...60 °С в час. В процессе штамповки каждой заготовки (при включенных нагревателях) – на 20...30 °С. В процессе непрерывной штамповки заготовок температура штампа надолго стабилизируется около 450 °С (при температуре нагрева штампов в печи 400...450 °С и температуре штампуемых заготовок 420...470 °С). В целом же наблюдается медленное снижение температуры штампов: при предварительной штамповке на 200 °С за 26 часов работы, при окончательной штамповке на 120 °С за 6 часов. Следует отметить, что невысокая тепловая мощность нагревателя (около 6,7 Вт/кг штамповой оснастки) восполняет только роль активной теплозащиты штампов от охлаждения [1].

В табл. 1 приведены результаты измерения температурного поля штампа в процессе штамповки дисков из титанового сплава ВТ9 (радиус и высота диска соответственно Rш = 0,31 м и Hш = 0,05 м, радиус и высота штампа – R = 0,8 м и H = 1,5 м). Материал штампа – сталь 5ХНМ.

На рис. 2 показана схема расположения термопар в теле штампа и расстояние от этих точек до рабочей поверхности штампа.

Аналитическая задача определения температурных полей решалась для круглого штампа конечных размеров (R, H) с учетом геометрических размеров гравюры штампа (Rш, Hш). Процесс штамповки одной заготовки делится на 2 этапа: первый этап – сжатие заготовки (процесс доштамповки), второй – охлаждение штампа на воздухе (пауза между подачей следующей заготовки). Длительность этапов соответственно 30 и 90 с.

Таблица 1

Экспериментальные данные по распределению температур в штампе ДТ-152

Номера точек

Номера дисков

1

2

3

4

5

6

7

8

1

355

360

365/370

380/385

390

400

400

380/360

2

340/345

3

350

350

370/400

395/430

420

440

470

345/350

4

350

350

350

350/355

355

360

365

360/355

5

350

390

390/395

395

405

410

350/355

6

405

410/420

425

430

450

355/350

7

375/380

380

400

400

350/360

 

9

10

11

12

13

14

15

 

1

375

375

385

395

400

400

 

2

 

3

375

360

385

400

420

420

445

 

4

350

350

355

355

360

365

 

5

360

370

380

390

400

405

 

6

360

380

395

400

410

430

 

7

350

355

360

365

380

385

 

pic_6.tif

Рис. 2. Схема расположения термопар в теле штампа: 1 – 115 мм; 2 – 47 мм; 3 – 18 мм; 4 – 118 мм; 5 – 61 мм; 6 – 65 мм; 7 – 119 мм

pic_7.tif

Рис. 3. Изменение температуры некоторых точек гравюры штампа при непрерывной штамповке пяти заготовок

На рис. 3 и в табл. 2 приведены расчетные и экспериментальные значения температур некоторых точек штампа в зависимости от времени штамповки и числа последовательных штамповок из титанового сплава (при условии применения стеклоэмалевых покрытий).

Результаты исследования свидетельствуют, что при штамповке крупногабаритных изделий их алюминиевых сплавов в горячих штампах, нагретых в печи до температуры 400...450 °С и при температуре штампуемых заготовок 420...470 °С, создаются условия для изотермической штамповки, даже в том случае, если штамповые наборы не оборудованы нагревателями.

Таблица 2

Распределение температур в объеме штампа

r

Z-Нш, мм

1

2

3

4

5

0

0

400

429

428

455

452

479

474

499

494

518

50

399

422

422

444

442

463

459

479

476

495

100

398

415

416

433

432

448

446

461

459

472

150

396

409

409

422

422

434

433

443

443

453

205

393

402

403

412

412

421

421

429

428

436

0

400

423

426

452

449

474

470

493

488

511

50

399

421(430)

420

441(445)

437

456(460)

455

472(470)

471

488(490)

Rш/2

100

398

415(415)

414

431(430)

429

445(440)

443

457(450)

455

467(460)

150

395

408

409

421

420

431

430

441

440

449

200

393

402

403

411

411

411

419

426

425

433

–Нш

400

428

403

441

418

456

433

471

446

484

–Нш/2

400

426

414

441

430

457

446

472

460

485

0

400

423

421

443

439

459

455

474

469

488

50

399

417(410)

416

433(440)

430

447(445)

444

459(450)

455

470(465)

100

398

412(410)

411

424(420)

423

435(430)

433

444(450)

442

453(450)

150

396

406

406

415

415

424

423

431

421

438

200

393

400

400

407

407

413

413

419

418

424

Примечания: Тн и Тк – начальная и конечная температуры этапа сжатия; в скобках приведены экспериментальные значения температур.

Аналитические и экспериментальные исследования температурных полей в теле крупногабаритных штампов при штамповке изделий из титановых сплавов подтвердили, что в процессе непрерывной штамповки температура рабочей поверхности штампа повышается на 25...35 °С, и после штамповки 7...8 изделий достигает температуры 550...580 °С. Во время же паузы между штамповками штамп успевает охладиться только на 5...10 °С. На расстоянии около 250 мм от рабочей поверхности штампа температура практически остается неизменной в процессе штамповки. Градиент температуры по топологии штампуемого диска на оси симметрии составляет около 100 °С, снижаясь до 60 °С при пятой штамповке. Это снижение градиента обуславливается разогревом штампа в процессе штамповки, приближающим процесс штамповки к изотермическому.

За счет создания пауз между штамповками отдельных изделий для естественного охлаждения штампового набора можно выдержать температуру штампа на допустимо высоком уровне в процессе штамповки партии изделий, приближающую режим штамповки к изотермическому.

Выводы

1. Исследованы температурно-временные режимы штамповки крупногабаритных изделий из алюминиевых и высокопрочных сплавов и сталей.

2. Показано, что при штамповке крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов можно обеспечить режим штамповки, приближающийся к изотермическому (даже без использования дополнительных нагревателей штампового набора). При дополнительном оснащении прессов нагревателями штампового набора мощностью 10...15 Вт/кг штамповой оснастки можно реализовать изотермический режим штамповки.

3. При штамповке крупногабаритных изделий из высокопрочных сплавов, за счет создания пауз между штамповками, можно реализовать температурно-временной режим штамповки изделий в горячих штампах, приближающийся к изотермическому. Для обеспечения же изотермического процесса штамповки необходимо оборудовать мощные гидравлические прессы водоохлаждаемыми подштамповыми плитами и системой терморегулирования процесса штамповки.

4. Полученные результаты исследования можно использовать для совершенствования технологий штамповки крупногабаритных изделий на мощных прессах.


Библиографическая ссылка

Готлиб Б.М., Сергеев Р.Ф. ШТАМПОВКА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ В ГОРЯЧИХ ШТАМПАХ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 2-1. – С. 33-37;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39875 (дата обращения: 14.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074