Осадка в капсулах и деформации сдвигом

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.7.04

Осадка в капсулах и деформации сдвигом

С. Т. Басюк

Рассмотрены способы горячего прессования полуфабрикатов из цилиндрической заготовки, сочетающие элементы порошковой металлургии с элементами деформационных технологий. Горячее прессование заготовок из предварительно спрессованных дискретных материалов: порошковых, гранулированных, дробленых и т. п., а также отливок, размещенных в металлической капсуле, позволяет получить плотность до 0,98-0,99 плотности сплошного материала и устранить внутренние несплошности отливок, образующиеся при их затвердевании. Все это обеспечивает высокое качество полуфабрикатов.

Ключевые слова: капсула, цилиндрическая заготовка, очаг деформации, сдвиг, смещение, осадка, прессование, продавливание.

Известны способы горячего прессования полуфабрикатов из заготовок, которые смонтированы в капсулах. Такие способы часто используют для увеличения плотности предварительно спрессованных (или спеченных) заготовок из порошков металлических сплавов, дискретных металлических материалов, обработки давлением отливок в целях удаления внутренних несплошностей, образующихся при их затвердевании, и т. п.

В работе [1] подробно перечисляются все положительные моменты, достигаемые на стальных, алюминиевых и других, в том числе порошковых, материалах, подвергнутых горячему изостатическому прессованию (ГИП). Показано, что эти способы обеспечивают высокое качество полуфабрикатов и позволяют приблизить их свойства к свойствам полуфабрикатов, получаемым с использованием деформационных технологий.

Упомянуты и некоторые отрицательные явления при применении ГИП, как, например, невозможность удаления дефектов (полостей), сообщающихся с поверхностью, или отсутствие каких-либо ощутимых деформаций макросдвига, характерных для деформационных технологий, где их влияние на конечные характеристики

материала существенно. Даны сравнительные характеристики деформационных технологий, предложена возможность совмещения их отдельных элементов в новом процессе.

Несколько иное направление использования упомянутых выше способов выбрал объединенный коллектив сотрудников Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и Центрального научно-исследовательского института материалов, а именно разработку технологии переработки металлических отходов в виде стружки путем ее измельчения в порошок с последующей переработкой различными способами порошковой металлургии в полуфабрикаты, например прутки или трубы.

Типовая схема получения деформированных полуфабрикатов из титановой стружки изложена в статье [2]. Там же представлены данные по проведенным экспериментам.

Схема состоит из следующих этапов обработки стружки: дробление, мойка, сепарация, вакуумный отжиг, холодное прессование, кап-сулирование, горячее выдавливание в виде товарного полуфабриката.

Основным отличием выбранного направления от ранее рассмотренных является совместное использование последовательностей,

а)

а)

б)

б)

в)

77777777777

1

9

8

10

7

К^ 5

—-3 6

2 9 8

?Г//Гт/77 777 7/7,//?//

Рис. 1. Горячее прямое продавливание (уплотнение): а — капсула с заготовкой; б, в — начало и окончание процесса соответственно:

1 — заготовка; 2 — стенка цилиндрической капсулы; 3, 4 — плоские днища капсулы; 5 — отверстие рабочей полости; 6 — контейнер; 7 — нажимной пуансон; 8 — опорный пуансон; 9 — полости для оболочки капсулы; 10 — опорная плита

присущих как порошковой металлургии, так и деформационным технологиям, например [3]: предварительное капсулирование порошка или брикета из него и затем прямое продавливание нажимным пуансоном в сторону опорного пуансона (рис. 1) или предварительное капсулирование, а затем одновременно последовательное обратное продавливание капсулированной заготовки в стороны нажимного и опорного пуансонов (рис. 2).

Технологические схемы прямого или обратного прессования трубчатых полуфабрикатов из монометалла можно рассматривать с известными приближениями применительно к капсулированным заготовкам.

Горячее прямое прессование (уплотнение) полуфабриката из цилиндрической спеченной заготовки (рис. 1). Заготовка 1 смонтирована в металлической капсуле с цилиндрической стенкой 2 и плоскими днищами 3 и 4. Капсула размещена в сквозном отверстии 5 рабочей полости контейнера 6. Диаметр отверстия соответствует наружному диаметру цилиндрической стенки капсулы. К заготовке

Рис. 2. Одновременно последовательное обратное выдавливание: а, б — начало и окончание процесса соответственно:

1, 2, 3, 4 — см. рис. 1, а; 5 — отверстие рабочей полости; 6 — контейнер; 7 — нажимной пуансон; 8 — опорный пуансон; 9 — полости для оболочки капсулы; 10 — опорная плита

прикладывается осевое усилие Рос нажимным пуансоном 7 диаметром, соответствующим наружному диаметру цилиндрической стенки капсулы, через торец стенки 2 капсулы и одно из днищ 3 с опорой заготовки через днище 4 на закрепленный на станине 10 пресса опорный пуансон 8, размер которого соответствует внутреннему диаметру стенки 2 капсулы [3].

В рассмотренной схеме максимальное давление при минимальных деформациях сдвига будет в зоне торца нажимного пуансона 7, а минимальное давление при максимальных деформациях сдвига будет в зоне торца опорного пуансона 8. Такое распределение давления не создает в объеме капсулы ощутимых деформаций сдвига, обеспечивающих «проработку» центральной зоны заготовки, что и определяет слабое соединение частиц металла в капсуле. Кроме того, в процессе экспериментов и при компьютерном моделировании было установлено [2], что на начальном этапе деформирования усилие пресса воспринимается преимущественно стенками капсулы. В процессе осадки крупные капсулы деформируются независимо от заготовки, образуя гофры, проникающие в заготовку. Компьютерное моделирование показало желательность отделения в процессе осадки донных частей от капсулы, а появляющуюся в процессе осадки излишнюю длину стенки 2 капсулы пропускать, не деформируя, в созданную кольцевую полость 9, что в дальнейшем и осуществлялось (см. рис. 1, в).

р

ос

3

р

ос

р

ос

р

ос

1

Эксперименты по осадке металлического образца проводились совместно с обоймой на плоских бойках со степенями деформации в пределах 4-70 % [4]. В результате экспериментов выявлены неоднородность деформации по сечению заготовки и обоймы, локализация наибольших деформаций в центре заготовки, а в обойме — в середине высоты со стороны внутренней поверхности, где появились полости на границе заготовки и обоймы. Получаемая при этом форма обоймы соответствует форме одиночного гофра.

Одновременно последовательное обратное выдавливание капсулированной заготовки как в сторону нажимного, так и в сторону опорного пуансонов (рис. 2). Как и в предыдущей схеме, заготовка 1 смонтирована в металлической капсуле с цилиндрической стенкой 2 и плоскими днищами 3 и 4. Капсулу размещают в сквозном отверстии 5 рабочей полости контейнера 6. Размер отверстия соответствует наружному диаметру цилиндрической стенки капсулы. К заготовке прикладывается осевое усилие Рос нажимным пуансоном 7 с диаметром, соответствующим внутреннему диаметру цилиндрической стенки 2 капсулы, через днище 3.

Принципиальное отличие этой схемы от предыдущей заключается в том, что при обратном выдавливании очаг интенсивной пластической деформации локален и расположен непосредственно под торцом деформирующего пуансона, а геометрические параметры и расположение зависят от геометрии рабочей зоны инструмента и соответствуют схемам закрытой прошивки или обратного выдавливания. Авторы, исследовавшие указанные схемы [57], по-разному оценивают глубину залегания очага деформации. Однако экспериментальная проверка показала полную применимость данных, изложенных в материалах [6, 7].

В работе [7] приведена формула для определения глубины распространения очага интенсивной деформации Но д от торца деформирующего пуансона:

^о.д ^ л/^ЬС^^^пУ,

Приведенная формула показывает, что при начальных размерах капсулы с заготовкой высотой Н1 > 2В, осадка заготовки будет осуществляться только под верхним пуансоном с отделением в процессе осадки донной части 3 от капсулы, а появляющаяся в процессе осадки излишняя длина стенки 2 капсулы остается или смещается, не деформируясь, в созданную кольцевую полость 9 (см. рис. 2, б).

При дальнейшей осадке опусканием верхнего (нажимного) пуансона наступает момент, когда возрастающее в зоне опорного пуансона давление создает второй очаг интенсивной деформации, который (если это предусмотрено) может соприкоснуться или пересечься с первым.

Рассмотренная технологическая схема позволяет просто рассчитать базовые точки построения процесса, однако значительно сложнее выдерживать эти базы из-за минимального числа элементов независимого управления процессом.

Часто применяется штамповка осесимме-тричных деталей со смещенным очагом деформации в условиях динамического равновесия системы «металл—оснастка» [8, 9]. Деформирование осуществляется нажимным пуансоном диаметром й, меньшим, чем отверстие О в контейнере, что смещает находящийся под пуансоном очаг интенсивной пластической деформации [7] от рабочей поверхности контейнера на образующийся зазор 8 = (О - й)/2 (рис. 3). Это позволяет минимизировать перемещения материала заготовки по рабочей поверхности контейнера, так как в начальный момент штамповки металл заготовки из-за меньшего сопротивления

а)

б)

в)

где гп — радиус окружности деформирующего пуансона, мм; В — радиус отверстия в контейнере.

Рис. 3. Штамповка пуансоном меньшего сечения, чем полость штампа: а — начало осадки заготовки; б — кольцевой зазор штампа заполнен; в — перемещение металла в боковые полости

МЕШЛООБРАБОТКЛ

будет перемещаться в кольцевой зазор (закрытая прошивка, обратное выдавливание) до его заполнения.

Так как металл, заполнивший зазор между пуансоном и боковой поверхностью штампа, образует граничный малоподвижный слой, находящийся под давлением, очаг деформации будет перемещаться на некотором удалении от рабочей поверхности штампа, что сведет к минимуму поверхностные перемещения металла.

Если заготовка смонтирована в капсуле, то подобная схема в случае, когда зазор в штампе равен или превышает толщину оболочки, исключает осадку, гофрение и заштамповку оболочки в материал собственно заготовки.

На конкретном примере (рис. 4) рассмотрим способ горячего прессования полуфабриката из цилиндрической заготовки, смонтированной в металлической капсуле с цилиндрической стенкой и плоскими днищами. Капсула размещена в сквозном отверстии рабочей полости контейнера. На части длины диаметр Об этого отверстия соответствует наружному диаметру цилиндрической стенки капсулы. К заготовке прикладывается осевое усилие Рос нажимным пуансоном диаметром Ом, соответствующим внутреннему диаметру цилиндрической стенки капсулы, через одно из днищ с ее опорой через второе днище на опорный пуансон, закрепленный на станине пресса.

Со стороны контейнера, обращенной к нажимному пуансону, на остальной части диаметр Ом отверстия ручья соответствует внутреннему диаметру цилиндрической стенки капсулы. Сам контейнер смонтирован на станине пресса с возможностью осевого перемещения. К контейнеру прилагается усилие Рк в направлении, противоположном направлению осевого усилия Рос, а на завершающей стадии горячего прессования к контейнеру и пуансону прилагается усилие Рнаж в том же направлении, что и усилие Рос, при этом усилия связаны зависимостью

Ро

< Р < Р

* к -1 наж1

Предлагаемый способ отличается от изложенных выше тем, что для его осуществления применяется подпружиненный ступенчатый контейнер. Со стороны контейнера, обращенной к нажимному пуансону, на остальной части длины диаметр Ом отверстия рабочей полости соответствует внутреннему диаметру цилиндрической стенки капсулы. Способ позволяет за один рабочий ход пресса пластически деформировать заготовку в отверстии подпружиненного «плавающего» контейнера сначала в направлении сверху вниз, а затем, продолжая движение ползуна пресса, снизу вверх (рис. 4, в). Образуемые смещенные очаги

а)

2_1

б)

в)

4 [р; 10 13

14

5 8 4 8 5

Рис. 4. Одновременное последовательное выдавливание: а — экспериментальный штамп в исходном положении

Р

ос

р

ос

р

наж

6

2

интенсивной деформации насыщают деформациями сдвига весь объем заготовки [10]. За счет оптимизации «проработки» центральной зоны полуфабриката и рационализации схемы деформирования получается полуфабрикат высокого качества.

Пример 1. Предварительно подготовленная заготовка 1 диаметром 150 мм и высотой 190 мм (см. рис. 1, а) из гранул магниевого сплава МА-14, спрессованных до плотности 0,62 от плотности сплошного материала, размещена в дегазированной и герметизированной металлической капсуле в виде цилиндрической стенки 2 и вваренных в нее днищ 3 и 4. Экспериментальный штамп (см. рис. 4, а) включает подогреваемый контейнер 6, смонтированный на станине 10 пресса с возможностью осевого перемещения. Рабочая полость в контейнере выполнена в виде сквозного круглого отверстия, часть 5 длины которого имеет диаметр Об, соответствующий наружному диаметру цилиндрической стенки 2 капсулы. Часть 11 этого отверстия имеет диаметр Ом, соответствующий внутреннему диаметру стенки 2 капсулы. Капсулу с заготовкой нагревают и монтируют в части 5 отверстия рабочей полости контейнера на опорном пуансоне 8, закрепленном на станине 10 пресса. В части 11 отверстия рабочей полости размещают нажимной пуансон 7. Между обращенной к пуансону 7 стороной 12 днища 3 и частью 11 отверстия рабочей полости предусматривается зазор Д.

Зазор Д в эксперименте выбран в диапазоне 6-8 мм. К заготовке 1 через днище 3 прикладывается нажимным пуансоном 7 осевое усилие Рос (см. рис. 4, б) с опорой через днище 4 на опорный пуансон 8. Упругим элементом 13 прикладывается усилие Рк к контейнеру 6 в направлении, противоположном направлению усилия Рос. При этом Рк = (1,05  1,25)Рос.

Происходит осадка заготовки. Цилиндрическая стенка 2 выдавливается в направлении, противоположном направлению усилия Рос, и после выборки зазора Д выдавливание вверх стенки 2 прекращается. Заготовка прессуется в условиях всестороннего сжатия.

При упоре опускающегося пуансона 7 в контейнер 6 усилие Рос начинает возрастать, превышая усилие Рк и достигая значений усилия Рнаж (см. рис. 4, в). При таком

усилии подпружиненный контейнер совместно с заготовкой в капсуле начинает опускаться на опорный пуансон, который вдавливается внутрь стенки 2, опускающейся вместе с контейнером капсулы, и наступает момент, когда материал начинает выдавливаться в зазор между стенкой контейнера и опорным пуансоном, образовывая второй смещенный очаг интенсивной деформации, а прилегающая к этому пуансону часть 14 стенки 2 выдавливается в часть 5 отверстия рабочей полости контейнера. При этом Рнаж = = (1,1  1,35)Р к.

При упоре опускающегося контейнера в ограничитель хода (не показан) на станине пресса прессование заканчивается. Капсулу извлекают из контейнера. Механической, например, обработкой отделяют капсулу от готового полуфабриката.

Готовый полуфабрикат имеет плотность 0,98-0,99 от плотности сплошного материала.

Пример 2. Предварительно подготовленная заготовка 1 диаметром 145 мм и высотой 175 мм (см. рис. 1, а) в виде отливки из алюминиевого сплава 1201 размещена в алюминиевой капсуле аналогично примеру 1. Горячее прессование осуществляется как в примере 1.

Готовый полуфабрикат не имеет внутренних несплошностей, таких как пористость, внутренняя усадка и междендритные трещины. Повышаются пластичность и циклическая прочность.

Для оценки влияния частных деформаций, возникающих при сдвиге, на прочность разрыва образуемого металлического соединения поверхностей сдвига был проведен следующий эксперимент.

Из плакированных листов сплава АМг6, поверхность которых предварительно протравили и зачистили, были собраны слоистые пакеты. После нагрева пакеты подвергали осадке между выпукло-вогнутых плит с углом конусности а = 0  25°.

На рис. 5 показано изменение прочностных характеристик металлического соединения по сечению двухслойного симметричного пакета с соотношением 0,5Ь = 4Н, где Н — толщина пакета после осадки, позволяющее сделать выводы:

• минимальная прочность металлического соединения находится в центре зоны,

№ 4(82)/2014

НИ

ав, кгс/мм2

3° 2° 1° W II w\\\

' ---—"—а РЩ Щц

23456

\ ^^Тч

01 2 Центр

4 5 6 Периферия

Рис. 5. Влияние частных деформаций при сдвиге на прочность металлического соединения:

1—6 — место отбора образцов для механических испытаний

соответствующей осадке между параллельными горизонтальными поверхностями, где сдвиг слоев отсутствует;

• даже незначительные изменения граничных условий способствуют возникновению деформаций сдвига как в слоях, так

и по границам, что повышает прочность металлического соединения.

Литература

1. Прохоров А. Изостатические прессы для холодного и горячего прессования изделий. Интернет-адрес: http//www/ruscastings.ru/work/168/5617/5664/6636.

2. Гиршов В. Л. Регенерация металлической стружки способами порошковой металлургии и пластической деформации// Науч.-техн. вед. СПбГПУ. 2007. № 3.

3. Пат. 7037466 США. Кл. 419/48. Публ. 2006.

4. Влияние условий бокового подпора на пластичность магния при холодной осадке / Б. И. Каменец-кий [и др.] //Технология легких сплавов. 2012. № 1. С. 86-92.

5. Сторожев М. В., Середин П. И., Кирсанов С. Б. Технология ковки и горячей штамповки цветных металлов и сплавов. М.: Высш. шк., 1967.

6. Тарновский И. Я., Ганаго О. А., Вайсбурд Р. А.// Изв. вузов. Черная металлургия. 1960. № 4. С. 172.

7. Янг Ч. Т.//Конструирование и технология машиностроения. 1962. Т. 84. Сер. В. № 4.

8. Басюк С. Т., Сазонова Т. П. Опыт безоблойной штамповки//Авиационная промышленность. 1966. № 2. С. 12.

9. Басюк С. Т. Объемная штамповка заготовок из легких сплавов на гидравлических прессах. М.: Спорт и культура, 2000. 144 с.

10. Заявка 2013111893 РФ от 18.03.2013.

11. Заявка 2013144594 РФ от 04.10.2013.

!

а