Совершенствование процесса штамповки осесимметричных фланцев из алюминиево-магниевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, кандидат технических наук Головкин, Павел Александрович

• Головкин, Павел Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Головкин, Павел Александрович

Введение

Глава 1. Состояние вопроса в области горячей объёмной штамповки осесимметричных поковок типа фланец

1.1. Применение штампованных поковок типа фланец для изготовления деталей новой техники. Назначение и требования к переходникам топливных систем

1.2. Особенности горячей деформации термически неупрочняемых алюминиево - магниевых сплавов

1.2.1. Механизм деформационного упрочнения термически неупрочняемых алюминиево - магниевых сплавов

1.2.2. Влияние деформации на механические свойства термически неупрочняемых алюминиево — магниевых сплавов

1.2.3. Влияние деформации на стойкость поковок из термически неупрочняемых алюминиево — магниевых сплавов к межкристаллитной коррозии.

1.2.4. Влияние предварительной деформации на прочность Ф сварного соединения термически неупрочняемых алюминиево — магниевых сплавов

1.3. Методы моделирования деформационных процессов при горячей объёмной штамповке .^g

1.3.1. Экспериментальные методы

1.3.2.Теоретические методы.^

1.3.3. Сопоставление методов исследования пластической деформации .^

Выводы по главе

Глава 2. Методика исследования

2.1. Общая характеристика сплавов АМгЗ и АМгб

2.2. Методы экспериментальных исследований, механических испытаний, применяемые приборы и оборудование

2.3. Применяемое программное обеспечение

Глава 3. Исследование традиционной технологии получения переходников топливных систем горячей объёмной штамповкой

3.1. Характеристика применяемого технологического процесса получения фланцев методом открытой одноручьевой горячей штамповки

3.2. Характер распределения деформаций по объёму поковки фланца

3.3. Характеристики первичных полуфабрикатов, применяемых при изготовлении фланцев

3.4. Влияние степени деформации при осадке на структуру и свойства металла поковки

3.5. Изучение напряжённо — деформированного и температурно — скоростного полей в процессе формоизменения осаженной заготовки в штампованную поковку фланца

3.6. Влияние напряжённо - деформированного и температурно — скоростного параметров в процессе деформации на структуру и свойства металла штампованной поковки

Выводы по главе

Глава 4. Исследование особенностей формообразования алюминиевых фланцев и разработка научно обоснованного способа ф их получения методом горячей объёмной штамповки

4.1. Влияние степени предварительной деформации заготовки фланца на характер формоизменения металла в штампе.

4.2. Особенности деформации цилиндрических заготовок из алюминиево — магниевых сплавов при горячей осадке в конических бойках

4.3. Особенности формообразования штампованных поковок фланцев без дополнительных технологических напусков 4.4. Границы возможности и целесообразности применения схем вытяжки и выдавливания при получении фланцев одноручьевой открытой горячей объёмной штамповкой

4.5. Особенности формообразования и структуры поковок фланцев, полученных из листовых заготовок

4.6. Рекомендуемые параметры вновь разработанного технологического процесса и обобщённые зависимости поведения деформируемого металла в процессе формообразования фланцев

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса штамповки осесимметричных фланцев из алюминиево-магниевых сплавов»

Актуальность темы. Развитие новой техники требует применения т научно разработанных технологических процессов, обеспечивающих получение изделий максимальной надёжности и служебных свойств, при минимальной их массе. В то же время малая серийность изделий новой техники обуславливает изготовление их комплектующих с использованием универсального оборудования, упрощённой технологической оснастки.

Среди видов ОМД горячая объёмная штамповка характеризуется наибольшей сложностью и неравномерностью происходящих при формоизменении исходной заготовки процессов, ввиду разброса величин поперечного сечения различных участков штампованной поковки, и большой накопленной в процессе нагрева энергии деформируемого материала. В результате при штамповке провоцируется локализация деформационных процессов, неравномерность скоростных и температурных параметров деформации. Как следствие, картина оптимальной деформационной проработки металла штампованной поковки может отличаться от заданной, не соответствовать профилю чистовой детали. Поэтому при разработке научно - обоснованных технологических процессов горячей объёмной ^ штамповки важно уметь прогнозировать и управлять деформационными процессами, без чего невозможно обеспечение заданных структуры и свойств чистовой детали.

Исследования проводились на примере изготовления штампованных фланцев, служащих заготовками для получения путём механической обработки конических переходников. Переходники применяются для соединения трубопроводов различных сечений и представляют собой осесимметричные детали со сложной образующей, работающие в составе ^ сварных узлов ответственного назначения в условиях высокого (до 4 МПа) внутреннего давления агрессивных сред. Наряду с высокими механическими и эксплуатационным характеристиками переходники должны обладать хорошей свариваемостью, стойкостью к межкристаллитной коррозии основного металла деталей и металла сварного шва. К числу наиболее соответствующих предъявляемым требованиям материалов относятся алюминиево — магниевые сплавы АМгЗ и АМгб.

Стандарты определяют, что поковки типа фланец, как заготовки для изделий ответственного назначения, следует изготавливать многопереходной закрытой объёмной штамповкой. Однако применение закрытой штамповой оснастки требует наличия силового оборудования с приводом выталкивателя, её изготовление трудоёмко и затратно ввиду большого расхода штамповой и инструментальной стали, что критично в условиях мелкосерийного производства. Существенно упростить и удешевить процесс производства позволит применение одноручьевой открытой штамповой оснастки, при этом из — за малой серийности переходников увеличение расхода металла ввиду наличия облоя и увеличения технологических припусков и напусков не существенно. Однако для достижения требуемого уровня свойств получаемых поковок необходимо проведение комплексных исследований. В этой связи актуальным является разработка процесса получения фланцев из алюминиевых сплавов АМгЗ и АМгб путём открытой одноручьевой горячей объёмной штамповки.

Цель исследования заключается в разработке научно — обоснованного процесса изготовления осесимметричных поковок типа фланец методом одноручьевой облойной штамповки, структура и свойства которых соответствуют предъявляемым к изделиям ответственного назначения требованиям.

Для реализации поставленной цели следует решить следующие задачи исследования:

• оценка общих параметров переходников, определяющих их как класс деталей, получаемых горячей объёмной штамповкой;

• изучение напряжённо-деформированного состояния и температурно - скоростных факторов в процессе формообразования горячештампованных фланцев металлографическими и математическими методами;

• изучение возможностей управления структурой и свойствами поковки фланца при получении их горячей объёмной штамповкой в открытых штампах;

• определение геометрических параметров штамповой оснастки, обеспечивающих получение бездефектных поковок;

• определение оптимальных режимов предварительного фасонирования заготовок под штамповку;

• определение оптимального температурного режима начала деформации при предварительном фасонировании заготовки и её последующей штамповке.

Научная новизна работы заключена в следующем:

• установлена взаимосвязь деформационных и температурно -скоростных параметров процесса формообразования со структурой и свойствами горячештампованных осесимметричных поковок фланцев из алюминиево — магниевых сплавов;

• установлена взаимосвязь параметров предварительного фасонирования с геометрическими параметрами одноручьевой штамповой оснастки, позволяющей получать качественные поковки фланцев;

• уточнён температурный интервал начала деформации алюминиево -магниевых сплавов, позволяющий удержать металл поковки от деформационного разогрева, превышающего регламентируемые пределы, а так же проводить деформацию с преобладанием внутризёренного механизма, что обеспечивает повышение характеристик коррозионной стойкости, герметичности, прочности и пластичности конечных чистовых деталей как по основному металлу, так и по металлу сварного шва;

• установлены границы применяемости схемы открытой горячей объёмной штамповки поковок типа фланец по схеме вытяжки с последующим обратным выдавливанием при использовании осаженных со значительной степенью деформации прутковых, либо листовых заготовок.

Практическая значимость работы заключена в следующем:

• разработаны технологические рекомендации изготовления поковок типа фланец из алюминиево — магниевых сплавов методом одноручьевой открытой горячей объёмной штамповки, позволяющие: обеспечивать соответствие зон оптимальной деформационной проработки профилю чистовой детали ответственного назначения типа переходник, как в зоне торцев, так и по остальной образующей; избегать прохождения деформации с преобладанием межзёренного механизма, характеризующимся бурным рекристаллизационным ростом зёрен и образованием крупных коагулянтов интерметаллидов по их границам, в свою очередь вызывающих понижение прочности деформированного металла и склонность его к межкристаллитной коррозии; повысить стабильность температурного режима при стыковой сварке конечных чистовых деталей — переходников топливных систем.

• установлена возможность и целесообразность применения в качестве альтернативного технологического процесса одноручьевой открытой горячей объёмной штамповки поковок типа фланец из листовых заготовок;

• достигнуто повышение коэффициента использования материала (КИМ) на 30 - 50 % за счёт ограничения технологических припусков и штамповочных уклонов стандартной величины и сокращения величины удаляемых торцевых напусков при переводе формообразования фланцев со схемы обратного выдавливания на схему вытяжки.

Достоверность полученных результатов основывается на соответствии результатов математического моделирования изучаемых деформационных процессов и результатов металлографического исследования поковок, полученных с использованием ранее применявшегося и вновь разработанного технологических процессов.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: xxvll, xxvlll, xxlx и ххх Международных молодёжных конференциях

Гагаринские чтения», Москва 2001, 2002, 2003 и 2004 г.г., Всероссийской научно — практической конференции, Москва, 2003 г., третьей Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством», Москва, 2004 г.

Работа выполнена на кафедре «Технология обработки металлов давлением (ТОМД)» «МАТИ» — РГТУ им. К. Э. Циолковского под руководством профессора, доктора технических наук Виктора Ивановича Галкина.

Установленные оптимальные режимы обработки давлением алюминиево — магниевых сплавов внедрены в работе опытного завода «Фобос» ОАО «Морской научно — исследовательский институт радиоэлектроники «Альтаир».

На основании результатов работы ОАО «МНИИРЭ «Альтаир» и «МАТИ» - РГТУ им. К. Э. Циолковского совместно выпущены соответствующие технологические рекомендации.

Автор выражает искреннюю благодарность за содействие и помощь в выполнении работы доктору технических наук, профессору кафедры ТОМД Евгению Владимировичу Ширяеву, а также всему коллективу кафедры ТОМД «МАТИ» - РГТУ им. К. Э. Циолковского.

Объём диссертационной работы состоит из введения, четырёх глав, выводов по работе и библиографического списка, в том числе 13 таблиц и 130 рисунков, всего на 173-х страницах.

Заключение диссертации по теме «Обработка металлов давлением», Головкин, Павел Александрович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Разработан новый технологический процесс формообразования с использованием гидравлических прессов осесимметричных поковок типа фланец из алюминиево - магниевых сплавов для дальнейшего изготовления из них деталей ответственного назначения типа переходник. Технологическая схема процесса предусматривает штамповку в чистовых открытых штампах по схеме вытяжки. Отказ от предусмотренной действующими стандартами схемы формообразования фланцев путём многопереходной закрытой горячей объёмной штамповки позволил перевести процесс деформации заготовки фланца с преобладающего межзёренного механизма на внутризёренный. В результате получены штампованные поковки фланцев, обладающие направленной равномерно деформированной мелкозернистой структурой, без крупных коагулянтов интерметаллидов по границам зёрен. Установлены значения технологических параметров, соблюдение которых обеспечивает соответствие чистовых деталей требованиям, предъявляемым к деталям, работающих в составе герметичных сварных узлов ответственного назначения.

В результате сформулированы следующие выводы.

1. Получение фланцев из алюминиевого — магниевых сплавов наиболее целесообразно одноручьевой облойной штамповкой по схеме вытяжки. В этом случае деформация протекает с преобладанием внутризеренного механизма, обеспечивая получение равномерно проработанной структуры повышенной сплошности (увеличение значений микротвердости поковки на 5 - 7 %) по сравнению с традиционными способами.

2. Установлено влияние основных технологических факторов на активизацию внутризеренной и подавление межзеренной деформации. К числу наиболее значимых факторов относятся схема деформации и начальная температура деформации. Переход от штамповки выдавливанием на штамповку вытяжкой приводит к снижению интенсивности деформаций и, как следствие, снижению деформационного разогрева поковки, чем обеспечивает подавление межзеренной деформации.

3. Наиболее технологичными с точки зрения объемной штамповки являются переходники с соотношением высоты к диаметру < 0,33 и аналогичным соотношением суммы высот торцев переходника к его полной высоте. В этом случае одноручьевая облойная штамповка легко реализуется по схеме вытяжки, и преобладанием механизма внутризёренной деформации обеспечивает повышенное качество поковок и чистовых деталей.

4. С ростом температуры увеличивается интенсивность образования из матрицы твердого раствора стабильной Р — фазы, которая коагулируется по микропустотам на границах рекристаллизованных зерен. В результате деформированная структура не может соответствовать требованиям, предъявляемым к работающим на герметичность в составе сварных узлов деталям ответственного назначения по параметрам герметичности и стойкости к межкристаллитной коррозии. Удержать интерметаллиды Р - фазы в составе твёрдого раствора позволяет ограничение температуры деформации в пределах не более 420 - 440 °С, для чего при штамповке на гидравлическом прессе начальная температура заготовки не должна превышать 320 °С, а так же форсированный режим охлаждения поковок. При соблюдении этих условий металл поковки характеризуется равномерной строго направленной мелкодисперсной текстурой повышенной сплошности без крупных коагулянтов интерметаллидов по границам зёрен. Кроме того, осмотическое давление, вызванное нахождением р — фазы в составе твёрдого раствора, способствует повышению прочности металла поковки.

5. В процессе исследования влияния степени осадки исходных прутковых заготовок на структуру и свойства штампованных фланцев установлено, что единичная степень деформации, особенно на заключительном переходе осадки, не должна превышать 30 - 50 % во избежании локализации деформационных процессов и развития действия механизма вязкого межзёренного течения.

Математическое моделирование различных вариантов фасонирования исходных прутковых заготовок позволило установить, что оптимальным для последующего изготовления фланцев горячей объёмной штамповкой является многопереходная осадка с кантовкой в вогнуто — выпуклых бойках конусностью 7°. Такая осадка позволяет получить поковку, обладающую равномерно деформированной в радиальном направлении полигонизованной мелкодисперсной структурой.

6. Разработанный технологический процесс включает в себя:

- нагрев мерных заготовок до температуры 320 °С;

- многопереходную осадку с кантовкой цилиндрической прутковой заготовки с единичной степенью деформации 30 — 50 % в вогнуто — выпуклых бойках конусностью 7° на гидравлическом прессе. Степень деформации заготовки определяется исходя из необходимости обеспечения устойчивости заготовки при её осадке (H|o/Do~2,5), с одной стороны, и величиной максимального диаметра штамповочного ручья, в котором должна располагаться заготовка перед штамповкой, с другой;

- одноручьевую чистовую штамповку осаженной заготовки на гидравлическом прессе в открытом штампе по схеме вытяжки. Температура нагрева металла перед деформацией 320 °С.

Указанные рекомендации разработаны с учётом использования при осадке и штамповке водно - графитовой смазки АГ-3 по ТУ-6-08-392-77.

Соблюдение указанного режима позволяет проводить деформацию с наименьшими неэффективными перемещениями металла, как следствие — избегать локализации деформационных процессов, а так же удерживать максимальную температуру металла в процессе деформации в пределах 370 - 390 °С. Перевод со стандартной схемы формообразования поковок фланцев путём многопереходной закрытой горячей объёмной штамповки на одноручьевую открытую штамповку позволил перевести процесс деформации с преобладания межзёренного механизма на внутризёренный.

7. Альтернативным указанному процессу является штамповка осесимметричных поковок типа фланец с использованием листовых заготовок. Равномерная исходная структура листовой заготовки (плиты) обеспечивает наилучшую равномерность протекания деформационных процессов. Качество поковок, полученных из толстолистовых заготовок выше, нежели полученных из осаженных прутков. Недостатком формообразования поковок фланцев из листов (плит) является повышенный расход материала и большая трудоёмкость операции раскроя, нежели операции резки. Выбор того или иного способа получения осесимметричных штампованных поковок типа фланец в каждом конкретном случае может быть обусловлен загрузкой имеющегося оборудования, наличием первичных полуфабрикатов и т.п., что повышает производственную гибкость.

8. Установлена достаточность при формообразовании осесимметричных поковок фланцев открытой одноручьевой горячей штамповкой с эффектом вытяжки стандартных припусков и штамповочных уклонов и нецелесообразность их превышения. Установлена так же возможность и целесообразность при формообразовании штампованных поковок типа фланец с эффектом вытяжки уменьшения величины удаляемых технологических припусков на торцах переходников с 12 — 15 мм до 5 мм. Использование таких технологических решений позволяет по сравнению с используемой ранее технологией одноручьевой открытой штамповки повысить КИМ на 30 - 40 %.

Сокращение таким образом необходимого для штамповки потребного количества металла позволяет усилить эффект вытяжки, что обеспечивает лучшее соответствие деформационной проработки профилю чистовой детали, снизить неравномерность деформации и деформационный разогрев, как следствие — повысить качество металла поковки.

Установленные оптимальные режимы обработки давлением алюминиево — магниевых сплавов внедрены в работе опытного завода «Фобос» ОАО «Морской научно — исследовательский институт радиоэлектроники «Альтаир».

На основании результатов работы ОАО «МНИИРЭ «Альтаир» и РГТУ «МАТИ» совместно выпущены соответствующие технологические рекомендации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Головкин, Павел Александрович, 2004 год

1. В. В. Воробей, В. Е. Логинов. «Технология производства жидкостных ракетных двигателей». Москва, МАИ, 2001, 496 стр, илл.2. «Свариваемые алюминиевые сплавы». Г. А. Николаев, И. Н. Фридляндер, Ю. П. Арбузов. Москва, «Металлургия», 1990, 296 стр.

2. ОСТ 92 1133 - 72 «Назначение и обеспечение ориентировки волокон в типовых штамповках из алюминиево — магниевых сплавов».

3. ОСТ 92 1619 — 87 «Заготовки штампованные из алюминиевых сплавов. Типовой технологический процесс горячей объемной штамповки».

4. А. П. Атрошенко, В. И. Фёдоров. «Получение горячей объёмной штамповкой стальных герметичных конструкций». Москва, «Машиностроение», «Кузнечно штамповочное производство», № 8, 1977, стр. 12-13.

5. ГОСТ 92-1019-81 «Детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Технические требования».

6. Инструкция ВИАМ № 849 67. Москва, МАП, 1967.30. «Объёмная штамповка на высокоскоростных молотах». А. И. Колпашников, С.И. Козий, др. Куйбышев, издательство Куйбышевского авиационного института, 1980, 80 стр.

7. Алюминиевые сплавы. Выпуск 3. Деформируемые сплавы. Сборник статей под редакцией И. Н. Фридляндера. Москва, «Машиностроение», 1964.

8. Справочник по сварке. Том 4. Под редакцией А. И. Акулова. Москва, «Машиностроение», 1971, 416 стр.

9. ОСТ 1.41187 — 78 «Заготовки штампованные. Допуски на размеры и припуски на обработку».

10. ОСТ 1.41188 — 78 «Заготовки штампованные. Конструктивные элементы».

11. ОСТ 3980—76 «Штампы на молоты, прессы, горизонтально -ковочные машины. Расчёт и конструирование».

12. ОСТ 92 1008 - 77 «Штамповки и поковки из алюминиевых сплавов. Технические требования».

13. Утверждаю» Генеральный директор — Генеральный конструктор1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

14. Главный технолог ОАО «МНИИРЭ «Альтаир»- начальник JITO ОЗ «ФОБОС»

15. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

16. МАТИ» РГТУ им. К. Э. Циолковского

17. ДЕПАРТАМЕНТ СУДОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ОАО «КОНЦЕРН ПВО «АЛМАЗ АНТЕЙ» ОАО «МНИИРЭ «АЛЬТАИР»

18. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКОМЕНДАЦИЯ

19. Совершенствование процесса штамповки осесимметричных фланцев из алюминнево-магниевых сплавов

20. Головкин П. А. под редакцией проф., д.т.н. Галкина В. И.1. Москва, 2004 г.1. Утверждаю»1. Утверждаю»

21. Генеральный директор — Генеральный конструктор ОАО «МНИИРЭ «Альтаир»