ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТНАЯ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ТОРЦЕВОЙ РАСКАТКИ - ШТАМПОВКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ AL-ZN-MG-CU

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.7.04:669.71.01

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТНАЯ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГОРЯЧЕЙ ТОРЦЕВОЙ РАСКАТКИ - ШТАМПОВКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Zn-Mg-Cu

П.А. Клевков, В. В. Захаров, докт. техн. наук, Б.В. Аккуратов, И.А. Фисенко

Показаны техническая сущность и основные преимущества штамповки способом горячей торцевой раскатки. Определены термомеханические параметры деформации высокопрочного сплава системы Al-Zn-Mg-Cu способом горячей торцевой раскатки. Проведена оценка качества штампованных заготовок.

Ключевые слова: штамповка выдавливанием, горячая торцевая раскатка, термомеханические параметры деформации, макро- и микроструктура, механические свойства.

Investigation and Experimental Development of the Technological Process of Hot Roll Forging of Al-Zn-Mg-Cu High-Strength Aluminium Alloy Blanks. P. A. Klevkov, V.V. Zakharov, B.V. Akkuratov, I.A. Fisenko.

-(îî)- Technical nature and main advantages of the hot roll forging technique is shown. "(i*)-

Thermomechanical parameters of the hot roll forging deformation of Al-Zn-Mg-Cu high-strength alloy have been determined. Quality of the forged blanks has been assessed.

Key words: extruding, hot roll forging, thermomechanical parameters of deformation, macro-and microstructure, mechanical properties.

Штамповка способом горячей торцевой раскатки (ГТР) является новым и эффективным технологическим процессом обработки металлов давлением [1].

В девяностых годах прошлого столетия специалисты фирмы SMS Meer (ФРГ) на основе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по сферодвижной штамповке создали новое специализированное штамповочное оборудование, оснащенное компьютерным управлением - стан горячей торцевой раскатки. Наиболее совершенной моделью указанного оборудования является модель АGW-200E. В настоящее время, по разным оценкам, в мире эксплуатируется от 10 до 15 станов этой модели. Станы используются на фирмах ФРГ, Велико-

британии, США, Южной Кореи и КНР в авиационной, автомобильной и станкостроительной промышленностях [2]. Внешний вид стана приведен на рис. 1.

Верхняя (технологическая) часть стана, расположенная над уровнем пола, установлена на фундаменте в подвале. Подвал имеет размеры 6 х 9 м в плане и высоту 3,5 м. Все указанное пространство занято элементами гидропривода. Шкафы компьютерного управления расположены на нулевой отметке и отстоят от стана на 4,5 м. Конструкционные особенности оборудования позволяют сделать выводы о наличии необходимых технологических возможностей.

Технической сущностью штамповки способом ГТР являются обеспечение регламен-

-Ф-

-Ф-

-Ф-

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 1. Стан для штамповки способом горячей торцевой раскатки

Начало штамповки Окончание штамповки

Рис. 2. Схема штамповки способом ГТР

тированной локализации очага деформации в процессе штамповки и изменение формы заготовки за счет интенсивной высокоскоростной пластической деформации с переменным, плавно возрастающим уровнем локализации в процессе деформации (рис. 2).

Штамп состоит из нижней части - матрицы с расположенным в ней выталкивателем и верхней части, представляющей собой наклоненный под определенным углом конический пуансон. Матрица крепится к подвижной опорной платформе, а пуансон закреплен в подвижном пуансонодержателе.

Заготовка устанавливается в матрице или в специальной проточке, выполненной на выталкивателе. При включении установки начинается синхронное вращение с определен-

ной скоростью матрицы с заготовкой и пуансона. Одновременно с вращением матрица с заготовкой движется с заданной скоростью навстречу вращающемуся пуансону. Сразу после контакта торцевой поверхности заготовки с пуансоном начинается процесс штамповки, состоящий из двух этапов: осадки и формовки до получения готового изделия.

Основными преимуществами штамповки способом ГТР в сравнении с традиционным ее вариантом являются:

1. Высокая интенсивность деформации и значительное снижение усилия деформирования (до 10 раз) за счет локализации очага деформации.

2. Высокая однородность деформации за счет преобразования сопротивляющегося трения скольжения на контактных поверхностях в деформационное трение качения.

3. Повышение прочностных, пластических и ресурсных свойств штампуемого так материала за счет воздействия интенсивной пластической деформации, обеспечивающей глубокую деформационную проработку структуры посредством дробления и измельчения избыточных фаз, а также формирования в готовом изделии однородной, мелкозернистой, волокнистой структуры, повторяющей контур готовых изделий.

4. Высокая производительность и стабильность технологического процесса за счет использования программного управления деформирующим оборудованием.

5. Возможность значительного повышения КИМ (до 0,8) благодаря получению поверхностей, не требующих механической обработки.

6. Высокое качество поверхностей поковок, аналогичное чистовой токарной обработке.

Цель работы - создание технологических основ и разработка технологического процесса ГТР штампованных заготовок из высокопрочного алюминиевого сплава системы А!-7п-Мд-Си.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

• экспериментально определить технологические параметры деформации способом горячей торцевой раскатки высокопрочного алюминиевого сплава системы А!-7п-Мд-Си;

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

• исследовать зеренную структуру, а также определить механические свойства изготовленных опытных образцов и готовых штамповок.

Основными технологическими параметрами процесса штамповки способом ГТР являются: предельная степень деформации материала при различных температурах процесса, угол наклона пуансона, угловая скорость вращения матрицы и пуансона и вертикальная скорость перемещения матрицы. Очевидно, что для каждого материала и группы изделий, похожих по конфигурации, указанные параметры различны и определяются экспериментально на модельных образцах. Полученные данные служат информационной основой для разработки технологического процесса штамповки способом ГТР конкретных изделий из различных материалов.

Для проведения работы литые прутки были порезаны на мерные заготовки и отторцо-ваны в целях надежной установки строго по оси вращающейся матрицы.

Обоснованно выбраны для опробования три температуры деформации - 450, 400 и 350 °С, три степени деформации - 30, 50 и 80 % и две скорости деформирования - 5 и 10 мм/с.

Из теоретических и экспериментальных работ по сферодвижной штамповке [3] и штамповке способом ГТР известно, что интенсивность деформации характеризуется уровнем локализации очага деформации, обратно пропорциональным относительной площади контакта (X = Гкон/Гзаг, где Гкон - текущая площадь контакта, а Гзаг - текущая площадь заготовки). При штамповке высокопрочных алюминиевых сплавов уровень локализации в процессе деформации монотонно возрастает от 0,5 до 0,08. Существует эмпирическая формула, связывающая уровень локализации и технологические параметры процесса штамповки способом ГТР [3]:

X = 0,352(S/RQ)0'6,

где S - вертикальная скорость перемещения матрицы;

R - текущий радиус заготовки;

Q - sin угла наклона пуансона. Деформацию с различной степенью и при разных температурах осуществляли следую-

щим образом. Перед подачей заготовки на рабочие поверхности деформирующего инструмента распылением наносили технологическую смазку. Нагретую заготовку устанавливали в матрице. Базирование заготовки осуществляли на выталкивателе и вставке матрицы за счет специальной канавки. После включения оборудования начиналось вращательное движение деформирующего инструмента. За счет перемещения в вертикальном направлении вверх вращающейся матрицы с выталкивателем осуществлялся первоначальный контакт заготовки с вращающимся стой же скоростью пуансоном. После установления контакта начиналось пластическое деформирование заготовки, включающее этапы осадки со скоростью деформирования, обратно пропорциональной текущей переменной площади заготовки, до момента касания заготовкой стенки матрицы и последующей формовки заданного сложноконтур-ного профиля дна и стенки изделия. Деформация осуществлялась путем локального приложения нагрузки с монотонно возрастающим уровнем локализации в пределах вышеуказанных значений от 0,5 до 0,08. При этом внешняя поверхность дна изделия формировалась пуансоном, а все остальные поверхности - матрицей и выталкивателем. Матрица с выталкивателем перемещались в процессе деформации в вертикальном направлении вверх с регулируемой переменной скоростью от 15 мм/с. Указанный параметр выбирали исходя из условия максимальной производительности процесса на этапе осадки.

В процессе осадки с разной степенью деформации при температурах 450, 400 и 350 °С проводили оценку технологической пластичности литого материала по качеству образующей поверхности модельных образцов. На указанной поверхности всех модельных образцов дефектов в виде деформационных трещин не обнаружено.

При этом на образующей поверхности нескольких литых заготовок перед деформацией были обнаружены не до конца удаленные механической обработкой литейные дефекты в виде раковин глубиной до 3 мм. Указанные заготовки были также продеформированы.

"Ф

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Кромки всех подобных поверхностных дефектов в процессе деформации растянулись,и раковины были заварены.

При экспериментальном моделировании штамповки сплав также показал высокую способность к формообразованию, причем качество поверхностей штампованных изделий аналогично качеству поверхностей после механической обработки.

Проведенные эксперименты свидетельствуют о высокой технологической пластичности и штампуемости высокопрочного алюминиевого сплава сис-

х200

С,/ '

>ЧЧ 'Ш /V

\ • У

11_

х400

V -

а -ч -

7" 1 ^

1 -» -

темы А!-7п-Мд-Си в литом состоянии во всем температурном интервале деформации.

Термическую обработку осаженных и штампованных модельных образцов проводили по режиму: закалка в воде с температуры 470 °С, последующее старение при 140 °С.

На рис. 3, а, б видно как меняется зерен-ная структура с изменением степени деформации, а на рис. 3, в, г - как меняется морфология избыточных фаз с увеличением степени деформации: фазы дробятся и более равномерно распределяются по объему алюминиевой матрицы*.

Степень деформации оказывает сильное влияние на морфологию избыточных фаз и зеренную структуру*.

В соответствии с экспериментально установленными технологическими параметрами штамповки способом ГТР, а также с учетом результатов испытаний механических

Рис. 3. Микроструктура литой заготовки (а, в) и термообработанного модельного образца (б, г) из сплава системы А!—1п—Мд—Си, изготовленного методом горячей торцевой раскатки

* Примечание научного редактора. Этих визуальных данных о характеристиках структуры недостаточно для создания технологических основ данного ответственного процесса: требуются математические закономерности, связывающие эти характеристики, степень деформации и т. д.

свойств изготовленных модельных образцов были разработаны технологические процессы штамповки указанных деталей. Опытным путем для каждой штамповки был подобран план изменения скорости вертикального перемещения матрицы.

При контроле штамповок на соответствие чертежам были установлены высокие стабильность их размеров (поле допуска ± 0,5 мм) и качество поверхностей (отсутствие трещин и шероховатость Иг < 10 мкм). Очевидно, что внешнюю поверхность дна штамповок можно изготавливать с минимальным припуском под механическую обработку, необходимую после термообработки. Кроме того, штампованные заготовки были проконтролированы на отсутствие прострелов, зажимов и расслоений при исследовании макроструктуры в поперечном сечении. Указанные исследования проводили на одной штамповке каждого наименования. Макроструктура всех штамповок не содержала указанных дефектов.

В процессе деформации фиксировалось изменение усилия при штамповке. Максимальное усилие на заключительном этапе деформирования соответствовало 700 кН.

а

-Ф

-Ф-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Механические свойства штампованных заготовок из высокопрочного сплава системы Л!—Еп—Мд—Си, изготовленные способом ГТР

Номер детали Направление вырезки образцов МПа ^0,2' МПа 8, %

1 Хордовое Радиальное 670 660 640 640 6,0 5,2

2 Хордовое Радиальное 660 670 650 640 4,8 6,0

3 Хордовое Радиальное 660 660 640 630 5,6 5,2

Расчет максимального усилия, необходимого при изготовлении указанных изделий способом прямого выдавливания, осуществляли по классической формуле, предложенной В.Л. Раскиндом [4].

Р = KDFoBt,

где KD = 8(1 - 0,001D)[1,1 + (20/D)]2 - коэффициент для штамповок, круглых в плане;

F - площадь штамповки в плане;

CTet - предел прочности материала при температуре окончания штамповки. В результате было получено усилие 7500 кН, которое практически в 10 раз превышает усилие при штамповке новым способом.

КИМ для изготовленных штампованных заготовок составил 0,5-0,6, что на 40-45 % выше КИМ для тех же штамповок, изготовленных по традиционной технологии штамповки выдавливанием.

Обследованием опытной продукции, изготовленной способом ГТР, получено следующее:

• макроструктура мелкозернистая, однородная, без металлургических дефектов;

• микроструктура опытных штампованных заготовок аналогична микроструктуре модельных образцов.

В таблице представлены механические свойства штампованных заготовок после термообработки.

Из анализа данных, приведенных в таблице, следует, что уровень механических свойств штампованных заготовок, изготовленных способом ГТР, достаточно стабилен, причем различия между свойствами в радиальном и хордовом направлениях минимальны [5].

Заключение

1. Опробован новый способ изготовления штамповок из высокопрочного алюминиевого сплава системы Л!-7п-Мд-Си методом горячей торцевой раскатки, обеспечивающий высокую технологическую пластичность в широком температурном интервале деформации. При визуальном контроле таких заготовок установлено,что:

• все штамповки обладают высокой точностью и стабильностью размеров, поле допуска ± 0,5 мм;

• шероховатость всех поверхностей штамповок соответствует параметру Иг < 10 мкм, то есть аналогична чистовой механической обработке;

• все штамповки не имеют внутренних и поверхностных дефектов.

2. За счет локализации деформации технологическое усилие штамповки высокопрочного сплава системы Л!-7п-Мд-Си способом ГТР составило 700 кН, что в 10 раз меньше расчетного усилия, требуемого при традиционной штамповке выдавливанием.

3. Разработанная технология изготовления способом ГТР штампованных заготовок из высокопрочного сплава системы Л!-7п-Мд-Си запатентована [5].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аристов В.М. Прогрессивные технологии куз-нечно-штамповочного производства. - М.: Машиностроение, 2001. С.251-259.

2. Аккуратов Б.В. Штамповка способом ГТР осе-симметричных изделий в России и за рубежом // В сб.: VIII Конгресс «Кузнец-2008». Рязань. 2008.

3. Мартынов В.Н. Исследования процессов штамповки раскаткой. - М.: Машиностроение, 1999. С.45-59.

4. Раскинд В.Л. Справочник кузнеца-штамповщика. - М.: Высшая школа, 1985. - 220 с.

5. Пат. 2514531 РФ.

-Ф-

-Ф-