Новости

Новости

Прогрессивные способы штамповки


Прогрессивные способы штамповки титановых сплавов позволяют существенно улучшить условия деформации. Прежде всего это оптимизация температурных условий деформации, что позволяет снизить сопротивление деформированию и повысить пластичность. При в-штамповке это достигается путем повышения температуры заготовки, а при изотермической штамповке — путем нагрева штампа до температуры заготовки. При штамповке на скоростных молотах фактически обеспечиваются изотермические условия деформирования за счет резкого сокращения времени контакта деформируемого металла со штампом, имеющим обычную температуру. В этом случае дополнительное благоприятное действие оказывают снижение контактного трения и увеличение инерционных сил
Штамповка в «горячих штампах» представляет промежуточный процесс между изотермической и обычной штамповкой и производится на обычном оборудовании.
Ниже кратко рассмотрены указанные способы штамповки.
в-штамповка титановых сплавов

До последнего времени пластическое деформирование (а+в)-сплавов на завершающих стадиях изготовления штамповок производили в (а+в)-области, ниже температуры в-превращения При этом, как правило, обеспечивались оптимальные структура и механические характеристики металла после деформации и термической обработки.
Однако технологическая пластичность титановых сплавов, деформируемых в этих условиях, недостаточна, а удельные усилия достигают высоких значений, не позволяющих получить хорошего оформления сложных по конфигурации штамповок.
Удельные усилия, необходимые для осуществления деформации в в-области, в среднем на 10—35% ниже, чем для деформации в а+в-области. Энергоемкость при ударном деформировании соответственно ниже на 10— 40% (табл. 41).

Производительность молотовой штамповки при переходе к деформации в в-области возрастает на 20—40%. При этом можно ожидать также и некоторого повышения стойкости штамповой оснастки, так как в общем случае понижение действующих усилий влияет на работоспособность штампа в большей мере, чем повышение штамповочных температур. Относительное повышение пластичности позволяет улучшить геометрические характеристики штамповок, снизить припуски на механическую обработку. Технологические возможности в-штамповки характеризуются данными табл. 42.

Проектирование технологических процессов штамповки в в-области не имеет особых отличий от принятых для обычных процессов деформирования титана и его сплавов, в особенности для штамповки в закрытых штампах. При открытой штамповке может понадобиться корректировка параметров облойной канавки в связи с повышенной пластичностью деформируемого металла.
Как показывает опыт, штамповка в в-области по сравнению с штамповкой в а+в-области позволяет на 10—15% увеличить коэффициент весовой точности штампованных деталей. Некоторые детали, полученные штамповкой в в-области, показаны на рис. 132.

Применяя штамповку в в-области, рекомендуется тщательно контролировать технологический процесс во избежание получения пониженных показателей пластичности.
В общем случае повышение температур в указанных выше пределах практически не влияет на прочностные характеристики деформированного металла: снижается на 1—2% (абсолютных) относительное удлинение и на 5—8% относительное сужение.
Установлено, что после деформации в в-области повышаются коррозионная стойкость, вязкость разрушения и длительная прочность гладких и надрезанных образцов.
Штамповка на скоростных молотах

Основное отличие скоростной штамповки от обычных процессов заключается в повышенной до 10—20 м/с скорости инструмента и соответствующем сокращении до 0,003—0,001 с времени пластической деформации При этом наблюдается существенное повышение пластичности деформируемого металла, объясняемое улучшением тепловых условий пластической деформации за счет сокращения тепловых потерь и действия теплового эффекта, понижением величины контактного трения и усилением действия инерционных сил
В связи с этим на скоростных молотах оказывается возможным изготовление точных штамповок. Обеспечивается получение размеров штамповок по 4—5 классу точности, шероховатость поверхностей соответствует 5 классу.
При необходимости обработки поверхностей заготовки, химическим фрезерованием назначается припуск до 0,5—0,6 мм.
Оформление штамповок обычно производится за один удар. При необходимости, особенно для массивных штамповок, может быть применена двух- и трехударная штамповка.
Пластичность большинства титановых сплавов при заполнении штампа осадкой и выдавливанием при температурах штамповки на высокоскоростных молотах не ограничена. Рекомендуемый интервал степеней деформации 20—90%; предельная скорость истечения 300—350 м/с.
Предпочтительные температуры штамповки в особенности для штамповок с тонкими элементами Тпр+30° С. Для массивных штамповок применимы температуры а+в-области, желательно вблизи Tпр.

Заготовки могут фасонироваться предварительно на обычном оборудовании в высокоскоростных молотах. При штамповке на скоростном оборудовании для смазки и при необходимости для охлаждения штампа применяют водно- или маслографитовую смесь. Предварительно штамп подогревают до 150—200° С газовой инжекционной горелкой или индукционным нагревателем. В настоящее время на скоростных молотах используют два основных вида штамповой оснастки:
- индивидуальную, когда штамп состоит из комплекта деталей, применяемых лишь для одного изделия;
- нормализованную, когда сменный инструмент — матричная вставка, пуансон и выталкиватель фиксируют и закрепляют в блок штампе, служащем для целого ряда наименований изделий.
В конструкции закрытых штампов контейнер матрицы служит дополнительной направляющей для пуансона, изготавливаемого с односторонним зазором 0,1—0,2 мм по контуру, причем контейнер матрицы выполняют с заходным конусом под углом 15° на высоте 5— 7 мм.
Для открытых штампов размеры облойной канавки (см рис. 133) и радиусы закруглений кромок ручья штампа принимают согласно приведенным ниже данным:

Величина радиуса r зависит от глубины ручья и типа облойной канавки.

Вставки матриц и пуансонов в зависимости от конфигурации штамповки можно выполнять цельными или секционными разъемными и неразъемными. Цилиндрические вставки, предназначенные для работы при высоких удельных усилиях, запрессовывают в обойму на горячей посадке с натягами.

Шероховатость рабочих поверхностей матриц, пуансонов и выталкивателей должна быть не ниже 8—9 класса.
Штамповки из титановых сплавов, изготовленные на скоростных молотах, показаны на рис. 134.

Штамповка в изотермических условиях

Изотермическая штамповка отличается от известных процессов равенством температур заготовки и штампа. Пластическое деформирование при этом производится в условиях, близких к условиям идеальной пластичности, чему способствует низкая скорость деформирования, составляющая от долей до единиц миллиметров в секунду.
В этих условиях металл проявляет высокую пластичность, наблюдается значительное падение удельных усилий, что позволяет изготавливать точные штамповки.
Формирование структуры деформируемой заготовки происходит в очень узком интервале температур а+в-области. Вследствие низких скоростей деформирования тепловой эффект деформации не создает особой опасности перехода в в-область.
В изотермических условиях производятся операции предварительной и окончательной штамповки, а также калибровки
При выборе номенклатуры изделий для изотермической штамповки заметна тенденция изготовления заготовок с тонкими элементами-стенками, ребрами, полотнами.
Термомеханические условия изотермического деформирования титановых сплавов рассмотрены ниже.
Заготовки под деформирование обычно нагревают до температур, соответствующих а+в-области. Для калибровочных операций нагрев осуществляют при температурах от 540° С и выше. Температура нагрева штампов для операций, связанных с формообразованием, находится обычно в пределах 870—930° С.
Скорость перемещения инструмента может быть сколь угодно малой, ограничиваясь лишь соображениями производительности. Верхний предел используемых скоростей составляет 20 мм/с. Можно полагать, что если при заполнении штампа осадкой скорости инструмента могут быть в пределах от 1 до 5—10 мм/с, то при заполнении полости штампа выдавливанием для получения допустимых удельных усилий потребуется снижение скоростей инструмента до 0,2—0,04 мм/с.
Точность размеров и качество поверхности примерно аналогичны получаемым в процессах скоростной штамповки. По мнению авторов работы, производительность при точной изотермической штамповке без уклонов в закрытых штампах в два—три раза ниже производительности обычных процессов штамповки.
В качестве деформирующих устройств при изотермической штамповке в настоящее время применяют работающие на существующем прессовом оборудовании штампы или штамповые блоки:
- устанавливаемые на специальные нагреваемые плиты;
- со встроенным нагревом;
- помещаемые в специальные нагревательные установки, монтируемые на деформирующем оборудовании.
Первые два устройства относительно просты конструктивно, но представляют повышенные затруднения для достижения высоких, фиксируемых в процессе деформирования температур. Плиты изготавливают со встроенными нагревателями сопротивления. Нагрев штампов производится главным образом за счет теплопроводности. Дополнительный нагрев поверхности может быть осуществлен газовыми горелками Последний способ не считается лучшим, так как ухудшает условия работы кузнецов и создает затруднения для контроля и фиксации температуры.
В штампах со встроенным нагревом могут использоваться нагреватели различных типов — индукционные, сопротивления и др. Устройства этого типа применяют главным образом для штампов небольших габаритов.
Наиболее подходящими для создания изотермических условий деформирования титановых сплавов являются специальные установки. Для нагрева инструмента в них используют нагреватели индукционные и электросопротивления. Установка обычно включает нагрева тельный блок, понижающие трансформаторы с токопроводами, систему терморегулирования, систему водоохлаждения, а также тепловую изоляцию от окружающей среды.
В качестве деформирующего оборудования обычно применяют гидравлические прессы, к которым предъявляются следующие требования:
- возможность получения скоростей инструмента в диапазоне от сотых долей до 10—15 мм/с, желательно при бесступенчатом регулировании их величины;
- возможность ограничения деформирующего усилия любой величины вплоть до номинала;
- обеспечение выдержки деформируемой заготовки под определенным усилием в конце рабочего хода;
- возможность автоматической регулировки времени приложения усилия.
Конструкция пресса должна допускать длительную работу в условиях нагрева некоторых его деталей (колонн, опорных плит и др.) до 50—70° С. Для удовлетворения этим требованиям необходимо изготовление специализированного прессового оборудования или существенная модернизация действующего.
Изотермическая штамповка может производиться по закрытой и открытой схемам. Размеры ручья обычно назначают без учета усадки, так как температуры штампа и деформируемой заготовки одинаковы Однако в случаях значительных размеров штамповок ( > 200 мм) учитывают разницу в коэффициентах линейного расширения материалов штампа и заготовки.
Для изготовления штампов используют жаропрочные материалы на никелевой основе (ЖС6, ЖС6У). Работоспособность материала штампа характеризуется отношением его предела текучести к пределу текучести деформируемого металла, которое должно составлять не менее 3 Заготовки инструмента изготавливают литьем в керамические формы. При этом стараются обеспечить минимальный объем механической обработки отливок.
Обработка в состоянии сверхпластичности

Проведенными исследованиями установлена возможность перевода некоторых титановых сплавов в состояние сверхпластичности с предварительным получением мелкозернистой структуры.
Температурный режим пластического деформирования в условиях сверхпластичности требует обеспечения рабочих температур не ниже 0,5 Tпл, К. Скорости инструмента должны обеспечивать скорости деформации порядка 10в-4 с-1, т. е. практически составлять сотые и тысячные доли миллиметра в секунду. В этих условиях деформируемый материал может проявить высокую пластичность при очень низких удельных усилиях.
Штамповка в «горячих» штампах

Между изотермическими условиями деформирования и обычными условиями штамповки, т. е. соответственно между температурами штампов 870—950° С и 150—300° С находится температурная область, в которой нагрев штампов для деформирования титановых сплавов в настоящее время производится редко.
Тем не менее эта область привлекает внимание в связи с тем, что относительно высокие температуры нагрева штампов способствуют:
- повышению работоспособности защитно-смазочных покрытий,
- сохранению более высокой температуры заготовки;
- получению более стабильных условий формирования структуры деформируемого металла.
Штамповка этого вида может осуществляться как на прессовом, так и на молотовом оборудовании с применением специальных плит со встроенными нагревателями. Для дополнительного нагрева поверхности штампа могут применяться газовые горелки, электроконтактный нагрев и др.
Сопротивление деформированию распространенных сплавов титана равномерно понижается в промежутке от 300 до 800° С со 100—80 до 60—10 кгс/мм2. В интервале 800—1000° C происходит резкое падение сопротивления деформированию до 10 кгс/мм2.
При температурах нагрева титановых заготовок 920—980° С и штампов в интервале от 300 до 800° С изменение температуры деформируемых заготовок, а также их сопротивление деформированию находятся в показанных выше пределах.
Теоретические расчеты показывают, что при выдавливании ребер толщиной 5—7 мм из заготовки, нагретой до 950е С в штампе с t=500°C температура их поверхности и середины понизится за 0,07 с соответственно на 100 и 20° С
Имеются данные о получении тонких элементов при температуре штампа 200° С толщиной 7,0 мм, а при тeмпepaтype 650° С — толщиной 4,0 мм.
Толщина ребра, полученная при температуре заготовки 900° C, составляет 21,4; 17,3 и 12,4 мм при температуре штампа 480, 760 и 900° С соответственно.
В качестве материалов для изготовления штампов могут быть использованы штамповые стали, а также жаропрочные никелевые сплавы.