Экологическое сравнение технологий горячей и холодной штамповки

O.S. Гsрасимова

Курганский государственный университет

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГОРЯЧЕЙ И ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

На машиностроительных и метизных предприятиях широко применяются технологические процессы горячей и холодной штамповки стальных заготовок при изготовлении деталей машин различного вида и целевого назначения. При выборе технологии деформационной обработки металла недостаточно учитываются экологические вопросы, к которым можно отнести загрязнение окружающей среды, шумовое и вибрационное воздействие на человека и другие.

С учетом важности экологических факторов в современных условиях при интенсивном увеличении объемов производства штампованных заготовок и деталей машин в настоящей работе дано экологическое сравнение технологий горячей и холодной штамповки сталей, как основного перерабатываемого металла.

На первом этапе исследования рассмотрены отрицательные факторы технологических процессов и операций горячей штамповки и показано их влияние на окружающую среду и человека. Так, можно выделить такие основные факторы, сопутствующие технологии горячей деформационной обработки металла:

1. Загрязнение окружающей среды, происходящее вследствие выброса газов и теплового потока. Например, при горячей штамповке некоторых металлических изделий -железнодорожных костылей, фрикционных болтов, заклепок больших диаметров требуется нагрев стали до 1200°С с применением газовых или индуктивных печей. Время нагрева изменяется от 15 до 30 минут и более [1]. Кроме того, при индукционном нагреве стальных заготовок образуется достаточно мощное электромагнитное поле, оказывающее губительное воздействие на обслуживающий персонал.

Необходимо особо отметить, что при нагреве стальных заготовок на их поверхности образуется оксид железа, который превращается в магнитный оксид железа (второй слой). Этот слой образует закись железа, которая находится в третьем слое на основании неокислен-ного металла. Слой имеет внутреннюю пористую часть, отделенную от наружной части явно выраженной границей, по которой можно отделить окалину от основного металла.

Количество образующейся окалины зависит от газовой среды, температуры и длительности нагрева. При повышении содержания углерода в стали снижается окисление металла. Легирующие элементы - алюминий, хром, кремний, молибден и кобальт снижают интенсивность образования угара.

Количество металла, теряемого на угар в кузнечно-штамповом цехе, зависит от вида нагрева:

Угар, %

В газовой печи 2,5 2,0

В электрической печи 1,5-И,0

В индукционной печи 1,0-^0,5

Толщина окалины зависит от поверхностного угара и определяется по формуле[2]

S = al уф ,

где а - поверхностный угар (г/см2);

У - объемный вес окалины (г/см3; у - 3,9-^4,0 г/см3);

ф- среднее содержание железа в окалине {ф= 0,715--0,765 г/г).

Если принять интенсивность образования окалины за единицу при температуре 900°С, то при нагреве до 1100°С она увеличивается в 3 раза, а при нагреве до 1300°С в 7 раз.

Величину поверхностного угара в зависимости от температуры (в пределах 660-1150°С) и времени нагрева можно определить по формуле

_9000

a = 6,3yfr-e Т (г/см2),

где г - время нагрева, мин;

Т-температура в градусах Кельвина.

Процесс окалинообразования отрицательно сказывается на стойкости штампов и приводит к снижению производительности труда и ухудшению качества поковок. На них могут образоваться вмятины или происходит неполное заполнение штампа. Кроме того, после горячей штамповки требуется очистка металла от окалины с помощью галтовки, пескоструйной, дробеметной обработки или травления в растворе серной или соляной кислоты.

На втором этапе исследования рассмотрены технологические и экологические преимущества холодной штамповки типовых деталей машин. К ним можно отнести крепежные изделия - болты, винты, гайки, шпильки, гвозди, заклепки небольших и средних диаметров и изделия специального назначения (рис. 1).

Большие и широкие исследования операций холодной штамповки при изготовлении коробчатых изделий проводятся в МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством профессора A.M. Дмитриева и профессора А.Г. Овчинникова [3].

Рассмотрим сначала технико-экономические преимущества технологических процессов и операций холодной штамповки.

Рис. 1. Примеры штампованных крепежных изделий

1. При изготовлении типовых деталей, например, метизов применяются многооперационные технологии на автоматическом многопозиционном оборудовании в виде автоматов-комбайнов [4]. При этом весь технологический цикл осуществляется на одном прессе-автомате (например, отрезка заготовки от проволоки и прутка, пред-

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 4

49

варительная и окончательная высадка головки на стержневом крепежном изделии, однократное и двойное редуцирование).

2. Технология холодной штамповки является мало-или безотходным процессом, что дает большую экономию металла в условиях современного машиностроительного и метизного производства. Коэффициент использования металла (КИМ) составляете среднем от0,95 и выше.

3. Значительно улучшаются и повышаются механические свойства деформированного и упрочненного и эксплуатационные характеристики изготавливаемых изделий. Например, повышается чистота обработки металла на поверхностях контакта с деформирующим инструментом, увеличивается твердость и показатели прочности изделий, улучшается структурное состояние обработанного металла, изменяются в сторону повышения практически все остальные характеристики стали - удельное электрическое сопротивление, плотность, электропроводность и др.

4. Практически отсутствует выброс газов в атмосферу и нет загрязнения окружающей среды тепловыми потоками.

Однако необходимо отметить наличие ударного и вибрационного воздействия на организм человека при работе высокоскоростного штамповочного оборудования. Все попытки уменьшить или исключить отрицательное воздействие удара, вибраций и шума (например, при работе гвоздильных автоматов) не дают 100%-го положительного результата.

На этом основании предлагается уменьшение вибрационного воздействия за счет регулирования амплитуды колебаний и устранения резонансного режима работы штамповочного оборудования.

Для сравнения можно привести сравнительную характеристику для четырехпозиционных холодновысад очных автоматов при объемной штамповке стержневых деталей [4]. Например, при ходе ползуна в кривошипно-шатунном механизме 120 мм производительность или число ходов (ударов) в минуту составляет 70-И 30 при диаметре заготовки 6 мм. При штамповке стержневых деталей диаметром 24 мм (увеличение в 4 раза) ход ползуна составляет 260 мм, а производительность уменьшается до 30 50 деталей в минуту. Это соответствует ее снижению в 2,5 раза.

Этот пример показывает один из путей уменьшения ударных воздействий на рабочего.

Особенно необходимо отметить интенсивность работы гвоздильного оборудования. Так, при изготовлении гвоздей с диаметром стержня 0,7 -И ,2 мм производительность составляет 1000 шт./мин. При диаметре стержня гвоздей 3-^6 мм число ударов уменьшается до 320, однако при этом резко возрастает усилие и мощность деформации. Динамический коэффициент изменяется в среднем от 1,1 до 1, 46, а при жестком ударе от 1,1 до 1,77.

Выполненное экологическое сравнение технологий горячей и холодной штамповки позволяет рекомендовать широкую замену горячего пластического деформирования заготовок и деталей холодной объемной штамповкой при условии хорошей предварительной термической обработки металла (например, отжигом). Только в этом случае можно повысить культуру труда и его безопасность при существенном снижении (или полном устранении) вредных факторов экологического характера [5].

Список литературы

1.Маликов А.Н. Справочник для работников кузнечно-прессовых цехов. -

М. : Московский рабочий, 1976.

2. Ковка и объемная штамповка стали: Справочник/Под ред.

М.В. Сторожева: В 2 т. - Том 1. - М.: Машиностроение, 1967. 3 .Прогрессивные технологические процессы холодной штамповки /Ф.В. Гречников, A.M. Дмитриев, В.Д. Кухарь и др. / Под ред. А.Г. Овчинникова. - М. : Машиностроение, 1985.

4. Холодная объемная штамповка : Справочник / Под ред. Г. А. Навроцко-

го. - М.: Машиностроение, 1973.

5,Герасимов В.Я., Кузьмин А.П., Герасимова О.В. Холодная деформационная обработка металлов: Экологические и технологические преимущества //Экология и промышленность России. - 2003. -Август.

В.Я. Гэрасимов, Н.В. Парышев

Курганский государственный университет,

ЗАО «Курганстальмост»

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В ПОВЕРХНОСТНОМ КОНТАКТНОМ СЛОЕ ПРИ ОСАДКЕ СТАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА

В работах [1-3] установлено влияние пластической деформации на изменение физических и механических свойств металла. Среди них можно выделить пределы текучести и прочности <т т и <т в, твердость (НВ или Н\/ -по Бринеллю или Виккерсу), ударную вязкость ан, плотность с1, удельное электрическое сопротивление р , магнитные свойства, электропроводность ^ и др.

Значительное влияние оказывает деформационное упрочнение или наклеп на величину скрытой или накопленной потенциальной энергии, которая появляется и задерживается в деформированном объеме вследствие возникших искажений структурного состояния металла [4].

В практических условиях возможно применение любых параметров для оценки накопления упрочняющего эффекта на локальном или интегральном уровнях. Однако в технологическом отношении необходимо выбирать и применять только успешно и легко реализуемые характеристики свойств металла и соответствующие методы контроля.

С учетом изложенного в настоящей работе показаны технологические возможности применения неразру-шающих методов контроля, которые позволяют получить достаточно полную информацию о формировании поверхностного упрочненного слоя металла в зоне контакта с деформирующим инструментом.

Для практической реализации использованы такие характеристики как твердость и электропроводность металла, определяемые на деформированной контактной поверхности. При этом определяли твердость НВ по Бринеллю, шероховатость по параметру Ра и электропроводность по величине силы тока ^ (мкА) в микроамперметре, включенном в электрическую цепь генератора высокочастотных электромагнитных колебаний [5]. Эксперименты выполнены на цилиндрических образцах из стали 40Х при их осадке между плоскими шлифованными пуансонами (рис. 1). Степень деформации сжатия е2 определяется по формуле: £ Т - Ц п(Ь0/И1), где И0 и -высота исходного и деформированного образца. При ее изменении в широком диапазоне от нуля до 0,35 получены новые данные о возникновении и накоплении упрочняющего эффекта в контактной зоне осаженных цилиндров.

50

ВЕСТНИК КГУ, 2008. №3