Повышение качества поковок при горячей объемной штамповке на КШМ ударного действия в ГПС

Перевертов В.П. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОКОВОК ПРИ ГОРЯЧЕЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКЕ НА КШМ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ В ГПС

Технологические процессы обработки материалов давлением (ОМД) отличаются большими удельными усилиями деформирования материала, значительными затратами энергии, которые имеют кратковременный (пиковый) характер. Имеется широкая номенклатура поковок из труднодеформируемых жаропрочных сталей и сплавов, изготовление которых целесообразно или технологически возможно только методами горячего ударного деформирования на винтовых прессах (ВП) и молотах. Большая часть турбинных лопаток, включая детали газотурбинных двигателей (ГТД) и других деталей транспортного и энергетического машиностроения изготавливается на этом типе оборудования. Расширяется номенклатура материалов и поковок с тонкими полотнами и высокими ребрами, которые экономически целесообразно изготовлять на машинах ударного действия, что объясняется более высокой скоростью деформирования и меньшим временем силового контакта горячего металла со штампом, по сравнению с другим оборудованием [1].

Изучение термомеханических условий деформирования материалов и сплавов подтвердило необходимость ударного воздействия при штамповке сплавов, у которых в процессе горячего деформирования происходят фазовые превращения, а температурный диапазон штамповки очень мал [1,2]. Кроме того, современные труднодеформируемые материалы и сплавы требуют значительных удельных нагрузок при штамповке, которые легко осуществить с помощью машин данного класса.

Ю.А. Бочаров считает, что основное преимущество КШМ ударного действия состоит в том, что по сравнению с кривошипными и гидравлическими прессами на них можно осуществлять более благоприятный температурно-скоростной режим деформирования [1,2].

Однако для успешного внедрения прогрессивных технологических процессов необходимо применение специализированных КШМ с регулируемыми выходными параметрами и штамповой оснастки [1].

Проблема предупреждения усталостных разрушений деталей весьма актуальна для всех отраслей машиностроения, особенно для авиации.

Сложность диагностирования и прогнозирования усталостных разрушений деталей связана не только с многообразием факторов, влияющих на конструкционную прочность материалов, одним из которых являются особенности технологического процесса изготовления деталей методами ОМД, но и с возможностью появления опасного уровня переменных напряжений, являющихся случайными функциями времени.

Максимальное сопротивление усталости детали может быть обеспечено как оптимизацией конструкторских форм, так и совершенствованием (оптимизацией) технологического процесса на всех этапах заготовительного производства, позволяющем максимально реализовать прочностные свойства, заложенные в применяемом материале.

Значительную роль в формировании несущей способности основных деталей ГТД (рабочие лопатки компрессора и турбины, диск и вал турбины и т.д.) является технологическая наследственность, основным носителем которой является поверхностный слой детали.

Большинство отказов ГТД вызваны усталостными дефектами, которые необходимо контролировать и диагностировать. По частоте появления отказов основные детали ГТД можно расположить в следующий ряд: рабочие лопатки компрессоров и турбин, диски компрессоров, диски и валы турбин и т.д. [Петухов].

Единственным видом разрушения лопаток компрессора является усталостное. Причинами разрушения лопаток являются снижение предела выносливости а-1 или повышение амплитуды вибрационных напряжений Си

[3].

Условно дефекты, приводящие к разрушениям, делят на: 1) конструктивные; 2)технологические (нарушение технологических режимов штамповки или термообработки); 3) эксплуатационные. При этом указанные дефекты распределяются следующим образом: 29% - конструктивные, 17% - технологические; 11% -

эксплуатационные; 43% - сочетание конструктивных, технологических и эксплуатационных. К причинам, приводящим к разрушению лопаток турбин можно отнести снижение предела выносливости а-1 из-за образования микротрещин в поверхностном слое, поврежденном нерегламентированной механической обработкой; несовершенство процессов штамповки, термообработки и т.д.

Разрушение лопаток турбин по технологическим причинам составляют 25,1%; по несовершенству конструкции - 23,2%; остальные 51,7% приходятся на неблагоприятное сочетание конструктивных и технологических дефектов [3].

При изготовлении деталей источниками «опасной» технологической наследственности в зависимости от типа материала, из которого они изготовлены, могут являться операции «повышенного риска». К таким операциям относятся: штамповка, литье, термообработка, а также механическая обработка (фрезерование или точение; вальцевание, шлифование и т.д.).

К признакам «опасной» технологической наследственности относятся: структурная неоднородность;

повышение Св и снижение 8, у, ан, с-1, Оы, Одл.; растягивающие поверхностные и объемные остаточные напряжения; снижение пластичности и т.д.

В работе [3] выявлено значительное влияние на сопротивление усталости технологической наследственности, при изготовлении лопаток из титановых сплавов, определяемой рядом факторов, важнейшими из которых являются:

а) неоднородность структурного состояния, вызываемая неравномерностью степени объемной деформации по сечениям лопатки при штамповке, особенно в крупногабаритных лопатках;

б) индивидуальный учет температуры полиморфного превращения при назначении режимов штамповки и термообработки заготовок;

в) формирование оптимальных параметров поверхностного слоя при механической обработке, включая предварительные операции.

Повреждения, полученные материалом лопаток в процессе штамповки или предварительной механической обработки не удается компенсировать последующими отделочными операциями [2,3,4].

Заготовки лопаток после штамповки имеют припуск на механическую обработку от 2^3 до 30^50 мм.

При штамповке лопаток из типовых сплавов обычно наблюдается макро- и микроструктурная неоднородность материала по сечению: у кромок структура мельче, чем в центральной части профиля.

Кроме того, титановые сплавы интенсивно поглощают водород, а скорость его поглощения увеличивается с уменьшением макро- и микроструктуры, что способствует снижению их сопротивления усталости.

С повышением температуры штамповки наблюдается рост макрозерна и микрозерна, но при этом возрастают значения 8, КсТ. и сопротивление малоцикловой усталости.

Оптимизация технологического процесса способствует стабильности и повышению усталостных характеристик т.е. повышению несущей способности детали. Особенно это эффективно на начальной стадии освоения производства или на этапе внедрения новых материалов и технологических процессов [3].

При проектировании оптимального технологического процесса для ГПМ возможно получение множества вариантов сочетаний (см. таблицу).

Таблица Классификация компонентов гибкого производственного модуля

Компоненты Признаки

1 2 3 4 5 6 7 8

Геометрия штампуемой заготовки Осесим- метрич- ная Неосе- симмет- ричная Простая Объем- ная Сложная

Исходный материал Пруток Профиль Труба Литье Метал- лопоро- шок

Размер партии >104 >103 >102 >102 >10" >10°

Процесс Ковка Откры- тая штам- повка Закры- тая штам- повка Выдав- лива- ние, прессо- вание Точная штам- повка Изотер- миче- ская штапов- ка

Инструмент Бойки Вырез- ные бойки Штампы Ролики

Машина Гидро- стат Гидро- пресс Криво- шипный пресс Винто- вой пресс Молот Высоко- ско- ростная машина

Механизм перемещения и позиционирования Грей- ферные линейки Грей- ферный конвей- ер Бара- банный Манипу- лятор Робот

Механизм замены инструмента Роторный горизонтальный Ротор- ный верти- кальный Цепной конвей- ер Паллет- ный Кассет- ный

Программное управление Жесткое Адап- тивное Интел- лектное

На основе теории оптимального управления рассмотрены показатели качества выбора базового оборудования модуля (комплекса), обеспечивающего оптимальный технологический процесс, который можно оценить векторным показателем У={у1, у2, Уз, У4, У5— Уп,} где: у1, - повышение качества поковок, характеризующегося конструкционной прочностью (вызывает дополнительные требования к выбору материала заготовки и способу штамповки); у2 - степень приближения размеров поковки к форме готовой детали (требует уменьшения штамповочных уклонов и радиусов на поковках, путем применения при штамповке выталкивателей, смазок, штампов повышенной прочности, точного дозирования энергии удара КШМ); уз -устранение дефектов поковок - микротрещины, пережог, наличие окалины в материале поковки и т.д. (требует применения точного малоокислительного нагрева при постоянном объеме или массе заготовок; смазок для повышения сопротивления износу штампов; систем контроля и диагностики температуры заготовок в штампе; износа штампов, их температуры и точности установки; точного дозирования энергии удара КШМ); у4 - снижение себестоимости поковки - оценочный критерий (требует учитывать способ

штамповки и тип КШМ, включая систему управления; марку материала заготовки и состояние его поставки; геометрию поковки и размер ее партии, штамповый инструмент); у5 - экономичность и экологичность технологического процесса (требуют применения средств автоматизированной замены штампов; зашиты от тепловой и шумовой нагрузок, виброизоляции); уб - вероятность, что следующие поковки будут изготавливаться по этой или близкой к ней технологии; у7 - требуемое время для переналадки ГПМ на данный технологический процесс.

На рис.1 приведена структурная схема решения задачи формирования оптимального технологического процесса для штамповочного модуля.

Банк допустимых вариантов технологического процесса формируется путем отбрасывания недопустимых сочетаний вариантов и отображается на дисплее. Процедура принятия многоцелевых решений выявляет наиболее эффективный вариант технологического процесса. В случае возникновения сомнений у лица принимающего решения (ЛПР) процедура может быть повторена с откорректированными гипотезами. В итоге принятое решение о технологическом процессе детализируется и документируется согласно требований ГОСТ.

Для получения качественных поковок деталей, повышения стойкости штампов, долговечности деталей пресса, снижения шума КПМ оснащаются устройствами дозирования энергии.

Оснащая ВП системами управления, использующими способ дозирования энергии по скорости нестабильность можно свести до ±4%. Однако эта точность не является достаточной ввиду отклонений параметров технологического процесса (температуры, масса заготовок, химический состав и т.д.), основным из которых является температура заготовок, определяющая сопротивление деформации и влияющая на точность поковок, стойкость штампов и т.д. [4].

оформленный оптимальный технологический процесс

Рис.1. Структурная схема формирования оптимального техпроцесса

Формообразование поковки (детали) сопровождается обычно пластической деформацией и тепловым воздействием на поверхностный слой. Пластическая деформация на глубине и на поверхности неоднородна и сопровождается структурными изменениями, вызванными как силовым, так и термическим воздействием на металл. В работе [3] показано, что около 10% энергии, затраченной на пластическую деформацию, поглощается металлом, 98% поглощенной энергии идет на искажение кристаллической решетки.

Вследствие пластической деформации в поверхностном слое изменяются по глубине механические характеристики: ав/ ао,о2/ а-1, увеличиваются; 5, у, ан, Н - уменьшаются.

Проведенный анализ показал, что сопротивление усталости в значительной мере зависит как от шероховатости, так и от соблюдения оптимальных режимов обработки. Нарушение режимов обработки на предварительных операциях (заготовительная обработка) сводит на нет роль отделочных операций (механическая обработка).

Текущее значение сопротивления деформации можно представить [5]:

<7 = Сг

, дет , „ дет , дет ,. дет , дет ,

(2(7 = авл------а£Л----С1£ Л-------------МЛ-ОХ ,

дв д£ дё д/1 дх

где 9 - температура деформации; в - степень деформации; ¿-скорость деформации; в^) - закон развития деформации во времени; х - физико-химические свойства материала.

Частным случаем полученных выражений является &а _ ^£ а & & т0

где Е - модуль упругости материала; т0 - постоянная времени релаксации в чистом процессе

разупрочнения.

А.И. Целиков для практических расчетов сопротивления деформации при £ =const предложил уравнение учитывающее влияние скорости и степени деформации:

В

0 ?

Важное значение для исследований имеет характер влияния скорости деформации на пластичность и напряжение текучести температурного эффекта на процесс горячего деформирования. При горячей деформации температурный эффект меньше за счет меньшего количества тепла и за счет малого количества выделившегося тепла по сравнению с теплосодержанием нагретого тела. При горячей деформации идет процесс рекристаллизации. Чем выше скорость деформации и чем меньше скорость рекристаллизации, тем больше напряжение текучести и тем меньше пластичность [5].

Многие исследователи [5,6] пытались аналитически выразить зависимость напряжения текучести от скорости деформации при заданной температуре и степени деформации. Наибольшего внимания заслуживают формулы, предложенные П. Людвиком и А. Рейто

СТ8 = <78 + П 1п —

где с?1 - напряжение текучести при скорости деформации £ ; <т3^ - напряжение текучести при скоро-

сти деформации ¿0 ; п, ш - константы, определяемые экспериментально.

С.И. Губкин [6] считал, что первой формулой целесообразно пользоваться в области температур деформации с полным и неполным упрочнением, а вторую применять для температур деформации с полным и неполным разупрочнением.

При горячей деформации металла при температуре выше температуры рекристаллизации влиянием деформации на сопротивление деформации можно пренебречь, тогда как влияние скорости деформации (т.е. скорости деформирования) существенно увеличивается [6].

В работе [4] рассматривалось однофакторное влияние температуры на сопротивление деформированию (деформации). Остальные факторы принимались условно постоянными, в том числе и скорость деформации.

Колебание температуры нагрева заготовок вызывает колебание сопротивления деформированию, усилия,

работы, энергии деформирования. При штамповке в открытых штампах это колебание сказывается на точности геометрических размеров поковок, если штамповка производится без смыкания штампов (без упора). При штамповке со смыканием штампов (до упора) колебание температуры заготовки сказывается на стойкости штамповой оснастки и долговечности деталей пресса. Это связано с тем, что для компенсации погрешности, вызванной отклонением температуры нагрева заготовки, дозу энергии задают с некоторым избытком для гарантированного смыкания штампов. Избыток энергии вызывает дополнительный рост усилия деформирования, что отрицательно сказывается на штампах и деталях пресса.

Для получения качественной поковки при заданной стойкости штампового инструмента необходимо также учитывать:

1. Погрешность штампового инструмента:

пуансон- Д1; матрица - Д2.

2. Погрешность технологических параметров и машины:

2.1. Погрешность измерения температуры заготовки - Д3;

2.2. Погрешность измерения массы заготовки - Д4;

2.3. Погрешность измерения скорости ползуна - Д5;

3. Погрешность срабатывания электромеханических элементов системы управления КШМ.

3.1. Погрешность срабатывания электронных блоков - Дб/

3.2. Погрешность срабатывания исполнительного органа КШМ - Д7;

4. Погрешность обработки информацией ЭВМ - Дэ;

5. Погрешность составления модели управления - Д9;

6. Погрешность алгоритма управления - Д10;

п

Суммарная погрешность Добщ = Д1+ Д2+ Дз+ ....= X А, .

/=1

При штамповке в закрытых штампах отклонения температуры нагрева заготовок тоже является существенным, так как колебание усилия деформирования вызывает дополнительные тангенциальные напряжения на стенках матрицы, что вызывает ее недостаточную стойкость [4]. Температура нагрева заготовки перед штамповкой может измениться в пределах температурного диапазона штамповки, который для большинства штампуемых сталей составляет 1100-1200оС. Это приводит [5] к изменению сопротивления деформирования на ± 15 %, что в свою очередь тождественно существенному изменению усилия деформирования также на ± 15 %. Следует отметить, что некоторые материалы, имеющие более широкий диапазон штамповки можно штамповать и при 950-1000оС, но при этом возникают высокие удельные усилия на инструменте, происходят структурные изменения деформируемого металла, что приводит к низкой стойкости штампового инструмента, браку поковок [4]. Резко возрастает брак поковок из-за микротрещин, вследствие нарушения нижней границы температурного диапазона штамповки, который по данным некоторых заводов составляет от 5 до 10 %. При этом резко изменяется усилие деформирования, возникают перегрузки. Нарушение верхней границы температурного диапазона приводит к снижению пластичности металла, являющейся результатом значительного роста зерна и последующего пережога металла (окисление границ зерен), что также является браком, который по данным этих же заводов достигает 6-9 % [4].

Для устранения брака, вызванного нарушением температурного диапазона штамповки, необходимо установить жесткие ограничения по температуре нагрева заготовок. Это позволит ограничить область допустимых колебаний этого параметра, определить допустимую область протекания процесса управления прессом.

Следовательно, общая форма жестких ограничений на температуру нагрева заготовок может быть представлена:

о? < о? < о?,

где О0;О0 - нижняя (верхняя) границы температурного диапазона штамповки, О0 - текущее значение температуры заготовки в принятом температурном диапазоне.

Таким образом, в пределах принятых ограничений температуры нагрева заготовок, с достаточной степенью точности принимаем линейным характер изменения сопротивления деформирования от температуры

[4]. Уравнение в этом случае имеет вид:

^(60) ае?) - ко0 ,

где а (6?) - значение сопротивления деформирования, соответствующее нижней границе температурного

диапазона; а1(6?) - значение сопротивления деформирования в пределах ограничений; - температурный

коэффициент, определяемый из кривых арб0 [4].

Жесткие ограничения по температуре нагрева заготовок позволяют сделать вывод: сужение темпера-

турного диапазона штамповки является средством повышения механических свойств металла, а значит и повышения качества поковок. Аналогично вводим ограничения на массу заготовки, химический состав. Эти обстоятельства требуют создания таких активных систем контроля, диагностики и управления выходными параметрами ВП и технологического процесса, которые позволят исключить брак при горячей штамповке, обеспечат получение качественных поковок при требуемой стойкости штамповой оснастки и долговечности деталей пресса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. - М.: Машиностроение, 1976. - 247с.

2. Бочаров Ю.А. Получение машиностроительных заготовок в условиях ГПС. - М.: ВНИИТЭМР,

84с.

3. Петухов А.А. Сопротивление усталости деталей ГТД. - М: Машиностроение, 1993. - 204с.

4. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. - Управление кузнечными машинами в ГПС.

шев: кн. изд-во, 1987. - 160с.

5. Сторожев М.В., Попов Е.А. теория обработки металлов давлением. - М: Машиностроение, 423с.

6. Губкин С.И. Пластическая деформация металлов. В 3-х т. - М.: Металлургиздат, 1960,

с.; т. 2, 416с.; т. 3, 306 с.

1986. -

- Куйбы-

1977. -т.1, 376