Содержание к диссертации
Введение
Технологические методы изготовления заготовок из инструментальных сталей. постановка задачи диссертационного исследования 9
Изготовление точных заготовок из труднодеформируемых сталей как актуальная проблема инструментального производства 9
Технологические методы изготовления заготовок из инструментальных сталей 16
1 Инструментальные материалы и заготовки 16
2 Правка — разделка заготовок 25
3 Методы пластического формообразования 28
4 Наплавка режущих частей инструмента 43
5 Сварка заготовок 47
6 Пайка — закалка пластин из быстрорежущей стали 56
7 Припаивание пластин из твердого сплава 58
8 Клеевые соединения режущих инструментов 61
Сверхпластическое деформирование как прогрессивный способ получения точных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками материала 64
Выводы 73
Методика исследования технологических возможностей процессов сверхпластического деформирования с мягкой схемой напряженного состояния 76
Комплексность методики исследования процессов сверхпластического деформирования 76
Методика использования теории деформируемости для оценки и расширения технологических возможностей сверхпластического деформирования 77
2.3 Методика рентгеноструктурного анализа металлов при сверхпластическом деформировании 84
2.3.1 Определение макронапряжений 85
2.3.2 Определение микродеформаций, плотности дислокаций и размера субзерен 91
2.4 Выводы 106
3 Анализ процесса прямого выдавливания сплошных точных заготовок из инструментальных сталей в режиме сверхпластичности 107
ЗЛ Основные уравнения и определение соотношения для НДС и связанных с ним технологических параметров 107
3.2 Анализ процесса выдавливания сплошной заготовки через плоскую матрицу с прямым углом 117
3.3 Анализ процесса выдавливания сплошной заготовки через коническую матрицу (формообразование конических элементов) 130
3.4 Расширение технологических возможностей процесса сверх пластического выдавливания сплошных заготовок через матрицы с рациональным профилем 138
3.5 Анализ процесса выдавливания сплошной заготовки через плоскую матрицу с рациональным профилем 142
3.6 Выводы 152
4 Экспериментальное исследование процесса сверхпластического выдавливания сплошных заготовок из инструментальных сталей 154
4Л Оборудование, оснастка, испытания 154
4.2 Результаты определения микродеформаций, размеров субзерен, плотности деформаций и макронапряжений. Оценка качества структуры получаемых заготовок 159
4.3 Технологические рекомендации по сверхпластическому выдавливанию сплошных точных заготовок из инструментальных сталей 160
4.4 Выводы 168
Основные результаты и выводы 170
Список использованных источников
- Правка — разделка заготовок
- Методика исследования технологических возможностей процессов сверхпластического деформирования с мягкой схемой напряженного состояния
- Анализ процесса выдавливания сплошной заготовки через плоскую матрицу с прямым углом
- Результаты определения микродеформаций, размеров субзерен, плотности деформаций и макронапряжений. Оценка качества структуры получаемых заготовок
Введение к работе
Производство качественной металлопродукции при умеренной ее себестоимости связано с применением для её изготовления высокоэффективных технологических процессов. К ним относятся процессы обработки давлением (ОД). Технологические процессы пластического формоизменения позволяют получать изделия с высокими эксплуатационными характеристиками.
Применение в современном производстве труднодеформируемых и высокопрочных металлических материалов требует внедрения новых технологий ОД при повышенных температурах. Особенно актуальной является эта задача для инструментального производства. Производственный опыт изготовления инструмента с использованием методов ОД свидетельствует о высокой их технико-экономической эффективности, позволяющих существенно повышать стойкость инструмента при значительном снижении трудоемкости его изготовления и снижении расхода дорогостоящих материалов по сравнению с традиционными технологиями. Вышесказанное в полной мере относится к изготовлению сплошных точных полуфабрикатов из инструментальных сталей.
Выполненные в последние два десятилетия исследования по большой группе промышленных сталей и сплавов показали, что применение эффекта сверхпластичности (СП) позволяет существенно снизить потребные усилия деформирования по сравнению с традиционными способами горячей обработки металлов давлением (ОМД) и изотермического деформирования, использовать гидропрессовое оборудование малой мощности, улучшать механические и эксплуатационные свойства готовых изделий. Изготовление заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками в условиях СП позволяет значительно повышает коэффициент использования металла (КИМ), эксплуатационные характеристики, стойкость и долговечность изделий, а также снижает энергоемкость и себестоимость технологических процессов их изготовления. Процессы сверхпластического деформирования (СПД) ока 6 запись весьма перспективными при создании малоотходных технологий в инструментальном производстве.
Исследованию процессов СПД инструментальных сталей посвящены работы отечественных специалистов А.П. Гуляева, Л.М. Сармановой, М.Х, Шоршорова, А.С. Тихонова, А.С Базыка, А.Е. Гвоздева. Обзор опубликованных работ показывает, что наиболее изученными являются физические аспекты СПД и связанные с ними принципиальные подходы к технологии. Значительно меньшее количество работ посвящено изучению технологических возможностей и внедрению процессов СПД изделий с позиций связанного физико-механического подхода. К ним относятся процессы выдавливания сплошных профилей заготовок из труднодеформируемых сталей. К классу труднодеформируемых материалов пониженной пластичности относятся инструментальные стали. Возможности получения заготовок инструмента из труднодеформируемых сталей методами холодного, полугорячего и горячего деформирования ограничены.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена исследованию технологических возможностей процессов сверхпластического выдавливания и разработке рекомендаций по созданию высокоэффективной ресурсосберегающей технологии изготовления сплошных точных заготовок из инструментальных сталей.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами Тульского государственного университета 06-01 «Разработка методов расчета и проектирования прогрессивной технологии обработки давлением», 54-01 «Разработка ресурсосберегающих процессов формоизменения заготовок при изотермическом нагружении на основе моделирования и оптимизации структуры и свойств материалов», а также при финансовой поддержке гранта Т02-06.4-2198 «Физико-механические основы технологии обработки давлением изделий с высокими эксплуатационными характеристиками» по фундаментальным исследованиям в области технических наук Министерства образования Российской Федерации, Научная новизна. Создана усовершенствованная математическая модель процесса сверхпластического выдавливания сплошных полуфабрикатов, позволяющая определять основные технологические параметры, прогнозировать механические и структурные характеристики материала готовых изделий и проектировать технологический процесс их изготовления.
Автор защищает результаты исследования технологических возможностей, модель и рекомендации по проектированию процессов сверхпластического выдавливания сплошных полуфабрикатов из инструментальных сталей.
В разделе 1 приводится обзор различных технологических методов изготовления заготовок из инструментальных сталей. Показывается перспективность СПД как прогрессивного способа получения точных заготовок в инструментальном производстве.
В разделе 2 изложена комплексная методика анализа напряженно деформированного состояния обрабатываемого материала заготовок и полуфабрикатов и связанных с ним технологических параметров, основанная на использовании рентгеноструктурного анализа при сверхпластическом деформировании и теории деформируемости для оценки и расширения технологических возможностей процессов СПД.
Раздел 3 посвящен исследованию процесса выдавливания сплошных точных заготовок через матрицы с различными профилями, на основе определения напряженно-деформированного состояния обрабатываемого материала и его структурных параметров. Приводятся рекомендации по достижению оптимальных температурно-скоростных условий СП.
В разделе 4 приводятся результаты экспериментального определения макронапряжений, микродеформаций, плотности дислокаций и размера поликристалл ических агрегатов. Обосновываются технологические рекомендации по проектированию процессов выдавливания инструментальных сталей в режиме сверхпластичности. В заключении проводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.
Приложение содержит основные расчетные уравнения в конечно-разностной форме, компьютерную программу и результаты расчета критериальных технологических параметров, акты о внедрении результатов работы в производство и учебный процесс.
Автор приносит благодарность канд. техн. наук, доценту Гончарову С.С., за оказанную помощь и консультации в выполнении экспериментальной части работы по рентгеноструктурному анализу деформированных материалов.
Правка — разделка заготовок
Первыми операциями в данном цикле являются правка и калибровка прутков. Они осуществляются, как правило, на правильно калибровочных станках и предназначены для уменьшения кривизны прутков и улучшения точности их геометрической формы. В инструментальном производстве обычно используют станки модели ГТК 290.
Разделка прутков исходного материала на штучные заготовки может производится несколькими способами, из которых наиболее распространен ( ными являются следующие.
Рубка заготовок на прессах и ножницах. Этот способ характеризуется высокой производительностью труда, однако требует использования точных бездеформационных штампов и постоянного контроля за их качеством. При рубке крупных прутков диаметром свыше 20 мм из быстрорежущих сталей (в особенности сложнолегированных, склонных к трещинообразованию и расслоениям) необходим их подогрев. Последнее обстоятельство значительно усложняет технологический процесс. Для рубки могут использоваться обычные прессы и ножницы, но с бездеформационными штампами. К этому же виду операций можно отнести некоторые новые методы разделки, например, рубку с одновременным закручиванием или сжатием разделяемых частей, надламывание с цилиндрическим изгибом. Последний вид операции получает распространение для разделки мелких (диаметром до б мм) заготовок из серебрянки на станках модели СИ-052 . Этот способ основан на использовании концентратора напряжения, создаваемого твердосплавным заостренным лезвием, при вращении заготовки и одновременном ее изгибе.
При рубке торцы заготовок деформируются и чем большие зазоры и перекосы допускаются в штампах, тем больше протяженность деформируемого участка, который по длине заготовки может достигать 5-10 мм, по диаметру 0,3-1 мм, по перекосам торца- 0,1-0,2 мм. Эти деформированные участки должны быть удалены последующей механической обработкой, что увеличивает трудоемкость изготовления, приводит к повышенному расходу материала. Поэтому рубку на прессах и ножницах можно рекомендовать лишь для изготовления заготовок под прокатку (сверла - методом продольно-винтового проката), ковку или штамповку, а также заготовок хвостиков инструментов класса "стержней" под последующую сварку.
Резка заготовок на различных пилах (ленточных, сегментных, дисковых или плоских). Применяется, как правило, для отрезки заготовок крупных сечений под последующую ковку, штамповку или непосредственно механическую обработку. На этой группе операций, как правило, используются станки моделей 8А641, 8В66 и 872А.
Весьма перспективным является применение ленточно-фрезерных и фрезерно-отрезных станков. Достоинством являются достаточно высокая производительность, малая ширина реза, качественное состояние торцов. Отечественная промышленность выпускает для этой цели ленточно-отрезные станки моделей 8532, 8544 и 8545. По мере расширения производства ленточных пил, особенно лент из быстрорежущей стали, и освоения производства пил, оснащенных твердыми сплавами, этот способ должен получить в ближайшее время более широкое распространение, как за счет внедрения этих станков, так и за счет создания станков новых моделей, оснащенных магазинами для подачи прутков и другими элементами автоматизации и механизации. Выбор режимов резания при работе на отрезных станках завист от марки инструментального материала и вида обработки.
Резка заготовок на токарно-отрезных станках вертикального или горизонтального типов. Этот способ широко применяется для разделки прутков на заготовки диаметром до 30-50 мм. Наиболее распространенными в инструментальном производстве являются станки-автоматы моделей МФ-142, ЛА-125, 1125-0, МК-224 и 1240-О. Основным преимуществом токарной отрезки является возможность образования, одновременно с отрезкой, торцов различной формы Ее недостатком является наличие остатка на поверхности торца. Выбор режимов отрезки производят в соответствии с установленными нормативами. Технические характеристики станков приводятся в каталогах [19].
Резка на абразивно-отрезных станках. Этот способ характеризуется высокой производительностью труда и высоким качеством торцовых поверхностей. Его недостатком является необходимость доработки заготовок после отрезки (снятие фасок, наружных конусов и т. д.). В инструментальном производстве используются абразивно-отрезные станки моделей 8220, 8230, 8240, СИ-030М и МФ-332. Абразивной резке могут подвергаться как отдельные прутки диаметром до 80 мм, полосы металла, так и пакеты, набранные из прутков или полос с диаметром описанной окружности, равным 80 мм. С ко рость резания при абразивной резке достигает 80 м/с. Абразивные круги представляют собой диски на волканитовой связке или на основе стеклоткани; их ширина изменяется до 5 мм, а наибольший диаметр составляет 440мм. Кроме указанных четырех основных методов разделки прутков на заготовки в инструментальном производстве применяются и новые методы -плазменная резка, электроимпульсная резка, в особенности для разделения заготовок из твердых сплавов.
Методика исследования технологических возможностей процессов сверхпластического деформирования с мягкой схемой напряженного состояния
При исследовании технологических возможностей процессов СПД необходимо принимать во внимание как физические, так и механические аспекты СП. Необходимость использования связанного физико-механического подхода вытекает из того факта, что в критериальные условия СП состояния материала входят как физико-структурные параметры, так и механические характеристики, связанные с напряженно-деформированном состоянием обрабатываемого материала. Отсюда вытекает комплексность применяемой методики исследования, позволяющей изучать напряженно- деформированное состояние (НДС), структурные и механические характеристики материала и связанные с ними технологические параметры процессов СПД.
Комплексность методики заключается в сочетании теоретических и экспериментальных методов анализа НДС, структурных и механических параметров деформируемых сталей и технологических возможностей изучаемых процессов выдавливания сплошных полуфабрикатов.
В дальнейшем применяется метод решения задачи осесимметричной деформации с позиций теории пластического течения и экспериментального метода рентгеноструктурного анализа, которые позволили в совокупности установить важнейшие технологические параметры: допустимую степень деформации, локальную нагрузку на рабочий инструмент, технологические усилия и качественные характеристики структуры материала готовых изделий с позиций обеспечения необходимых эксплуатационных свойств готовых изделий.
Проведенный обзор работ по использованию процессов СПД для получения точных заготовок с высокими эксплуатационными характеристиками материала показал, что недостаточно исследованными являются оптимальные режимы процессов СПД труднодеформированных сталей в температур-но-скоростных полях, при разных схемах напряженного состояния, в том числе технологические возможности процессов СПД, допустимые операционные степени деформации. Показана возможность решения этих вопросов на базе использования теории деформируемости, основанной на современных физических представлениях о механизмах повреждаемости и разрушения деформируемых материалов. Использованию теории повреждаемости для решения технологических задач ОМД посвящены работы отечественных ученых СИ, Губкина [21], Г.А. Смирнова-Аляева [22], В.Л. Колмогорова [23,50], В.А. Огородникова [27], А.А, Богатова [28], О.И. Мижирицкого [28], СВ. Смирнова [28] и др., зарубежных специалистов П. Бриджмена [29], Н.Л. Данга [30], Ф. Макклинтока [31], СИ. О [32], Ч.Ч. Чена [32], С. Кабояши [32] и др. Рассмотрим методику использования теории деформируемости для оценки технологических параметров процессов СПД.
Под деформируемостью понимается способность тела в целом изменять свою форму в целом или при обработке давлением (ОД) без нарушения сплошности [24]. Для решения вопроса о деформируемости следует проверить возможность разрушения металла во всех точках заготовки или в наиболее опасных зонах. Для такой проверки используются условия деформируемости. В ОМД получило распространение условие деформируемости проф. В.Л.Колмогорова [23,24]: у = \E(t)B{f) Н dt{\ А„Дст(0] (2Л где Y- степень использования запаса пластичности (ИЗП), (0 1, значение Ц -О соответствует исходному состоянию материала, в отожженном состоянии, значение 4 =1 соответствует моменту разрушения); Лпр - предельная степень деформации сдвига, соответствующая моменту разрушения; И- интенсивность скоростей деформаций сдвига; т = а /Т— показатель напряженного состояния (а- среднее напряжение, Т- интенсивность касательных напряжений); t- время; Е- коэффициент наследственности (0 Е 1); В- коэффициент, учитывающий немонотонность процесса формоизменения.
В дальнейших работах автора были получены модифицированные условия деформируемости на базе более обобщенной феноменологической модели накопления повреждений и разрушения для условий холодной и горячей деформации [36,39].
Следуя терминологии проф. В.Л. Колмогорова введено понятие технологической пластичности, как комплекса свойств тела, включающего деформируемость и технологическое усилие на реализуемых операциях ОД [24]. Использование определяющих соотношений для оценки технологической пластичности требует последовательного решения следующих задач: - определения напряженно-деформированного состояния материала в изучаемых процессах ОД; - построения диаграмм пластичности деформируемого материала в диапазоне значений реализуемых термомеханических параметров.
Анализ процесса выдавливания сплошной заготовки через плоскую матрицу с прямым углом
Рассмотрим процесс выдавливания сплошной заготовки из инструментальной стали в режиме СП через матрицу с прямым углом. Матрицы подобной конструкции сравнительно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.
Использование эффекта сверхпластичности (СП) является особенно актуальным для современного инструментального производства при изготовлении деталей из малопластичных и труднодеформируемых металлических материалов [78, 16, 2}. Именно в этом случае достигается значительный экономический эффект за счет повышения коэффициента использования металла и снижения энергоемкости технологических процессов.
Для изготовления сплошных точных заготовок из инструментальных сталей в режиме СП успешно могут применяться процессы выдавливания [16, 79]. Существенными преимуществами точных заготовок, полученных прямым выдавливанием в условиях СП, являются: высокая равномерность распределения твердости, возможность проведения последующей механической и окончательной термической обработок без промежуточного отжига, снижения карбидной неоднородности с 5-6 до 2-3 балла [2].
С другой стороны, внедрение технологических процессов выдавливания сдерживается из-за недостаточной изученности оптимальных режимов реализуемых схем СПД. Изучение таких важнейших технологических характеристик, как удельного усилия, степени использования запаса пластичности деформируемого материала, допустимых операционных деформаций в зависимости от температурно-скоростного режима и краевых условий деформирования, несомненно способствовало бы расширению технологических возможностей СПД. Эти вопросы могут быть изучены на основе решения основных уравнений теории пластического течения, критериальных условий СП с привлечением базы экспериментальных данных об изучаемых процессах деформирования.
Рассмотрим процесс прямого выдавливания сплошной заготовки из инструментальной стали У8А (в состоянии поставки) в режиме СП (рисунок 3.3) со следующими заданными условиями: изменяемый характерный размер поперечного сечения заготовки до и после деформации Взаг= 30 мм, В„.ф. = 9 мм; температура деформации - 715 ... 730 С; регулируемая скорость ползуна гидравлического пресса (скорость пуансона выдавливания) Vn = 0,5 ... 2,0 мм/с. Так как другой размер поперечного прямоугольного сечения заготовки Цат не изменяется, то схема деформации является плоской.
Как показано в подразделе 3.1, напряженно-деформированное состояние жестко- пластического материала описывается в системе криволинейных характеристических координат а, р следующими уравнениями dsa dSa dSp Q2l) дет _ д р дт, л# — + 27,.- -+—- = 0; dS, dSp dSa (322) pL.v iSUo, -va- = 0, dSa $sa dSp dSp (3.23) где сг — среднее напряжение; rs — предел текучести материала при сдвиге; р параметрический угол ортогональной сетки линий скольжения, отсчитываемый от оси х; Va, Vp — компоненты вектора скорости материала; Sa, Sp - длины дуг координатных линий.
Для эвтектоидной стали У8А состояние СП определяется наличием ультрамелкозернистой структуры с величиной зерна 10...15 мкм, температурой 717...725 С в зоне фазового a + Fe3C — у превращения и интервалом скоростей деформации 10 ...10"2 с"1 [80]. Сопротивление деформации (интенсивность напряжений) для изотермических условий СП описывается следующей зависимостью от степени и скорости деформации [5] ct=Ts42=Ae?e!}, (3.24) где А — эмпирическая константа; п,т — степенные параметры деформационного и скоростного упрочнения.
Так как при СПД сопротивление а( не зависит от степени деформации, т.е. п — 0, то зависимость (3.24) принимает вид
Степенной коэффициент т является существенным критериальным параметром состояния СП и учитывает влияние степени и гомологической температуры деформации, его химического состава и энергии дефекта упаковки. Согласно экспериментальным данным, параметр т с ростом температуры деформации монотонно возрастает и при температуре СП 730 С достигает следующих значений для стали У8А: 0,21...0,22 — в отожженном состоянии; 0,24...0,25 - в нормализованном состоянии.
Результаты определения микродеформаций, размеров субзерен, плотности деформаций и макронапряжений. Оценка качества структуры получаемых заготовок
С помощью рентгенографических исследований, проводимых на ди-фрактометре ДРОН-2 в С0- Кд - излучении снимали профили анализируемых линий по точкам с шагом 0,1, при постоянной времени интегрирования 100 с. Величину микродеформаций, размера субзерна и плотности дислокаций оценивали по физическому уширению дифракционных линий (ПО) и (220), сравнивая их ширину на исследуемых образцах и эталонах, выполненных из этих же материалов. Эталонами при съёмке служили образцы, деформированные при комнатной температуре на 20% и подвергнутые рекристаллиза-ционному отжигу (для стали Р6М5 Т= 750 С, время выдержки 6 часов, для стали У8А Т= 720 С, время выдержки 8 часов). Анализ профиля рентгеновских линий, определение центра тяжести 6llKi, ширины линии и определение вклада плотности дислокаций, микрона пряжений и размера субзерен в физическое уширение проводили методом моментов (изложенном в разделе 2.3.2) на ЭВМ с последующим расчетом указанных величин с помощью специального пакета прикладных программ. Результаты расчетов приведены в таблице 4.1
Одновременно определяли макронапряжения 1-го рода. Определение величины макронапряжений а9 в произвольном направлении в плоскости поверхности образца производили по методу sin2vF (изложенном в разделе 2.3.1), где 4у- угол между нормалью к плоской поверхности образца и нормалью к системе отражающих плоскостей. Величину макронапряжений оценивали по смещению углового положения дифракционной линии (211) при съёмке, когда =0 и =30. Раздельное определение главных напряжений G\ и о 2 проводили на основе анализа результатов определения значений аф в трёх направлениях на поверхности образца. Расчет величин макронапряжений проводился на ЭВМ, с помощью программы Excel, Результаты показали, что для стали Р6М5 аф = -23,3 МПа, at - -13,0 МПа и a2 = -И,9 МПа, для стали У8А а„ = -15,1 МПа, aj = -16,1 МПа и а2= -26,7 МПа.
Данные дислокационные параметры способствуют формированию высоких эксплуатационных характеристик инструмента изготовленного из данных марок сталей, вследствие чего повышаются прочностные и пластические механические свойства, что приводит к высокой стойкости инструмента. В образце из стали Р6М5, деформированном в условиях СП структура является более мелкоблочной, по сравнению с образцом из стали У8А.
Повышение коэффициента использования металла и снижение трудоемкости и энергоемкости при получении инструмента из высокопрочных сталей пластическим деформированием - одна из важных задач инструментальных производств. Решение этой задачи возможно на основе создания ресурсосберегающих малопереходных технологий на основе СП.
СПД высокопрочных инструментальных сталей типа Р6М5, У8А по сравнению с полу горячим и горячим деформированием (нагрев штампов до 840...860 С и заготовок до 1050,..1150 С) позволяет снизить усилия деформирования на 30...35%, а температуру нагрева заготовок более чем на 30%, увеличить коэффициент использования металла до 0,85, повысить эксплуата 1 ционные характеристики инструмента и снизить себестоимость его изготовления [70,72,74].
Основными операциями малопереходного металло- и энергосберегающего технологического процесса получения заготовок концевого инструмента являются: - получение и подготовка исходных заготовок из проката; - нагрев заготовок до температуры СП; - СПД заготовок в изотермических условиях; - операции механической обработки.
