eng
Выпуск #1/2025
А. М. Дмитриев, Н. В. Коробова
Холодное формование в штампе с вращением пуансона высокоплотных дисков из порошков на железной основе
Холодное формование в штампе с вращением пуансона высокоплотных дисков из порошков на железной основе
Просмотры: 652
DOI: 10.22184/2499-9407.2025.38.1.38.45
Рассмотрена область применения деталей, изготовленных из порошковых сталей. Показано, что легирование железных порошков для превращения их при спекании в стали целесообразно только при обеспечении высокой плотности формуемых порошковых деталей. Описаны исследования, проведенные на специально созданном штампе, по увеличению плотности формуемых порошковых дисков с помощью поворота пуансона штампа и создания сдвигов внутри порошковой заготовки.
Рассмотрена область применения деталей, изготовленных из порошковых сталей. Показано, что легирование железных порошков для превращения их при спекании в стали целесообразно только при обеспечении высокой плотности формуемых порошковых деталей. Описаны исследования, проведенные на специально созданном штампе, по увеличению плотности формуемых порошковых дисков с помощью поворота пуансона штампа и создания сдвигов внутри порошковой заготовки.
Теги: density increase disc-type parts powder blanks shear seal stamps with a non-self-braking screw pair детали типа дисков заготовки порошковые повышение плотности уплотнение со сдвигами штампы с несамотормозящей винтовой парой
Холодное формование в штампе с вращением пуансона высокоплотных дисков
из порошков на железной основе
А. М. Дмитриев, Н. В. Коробова
Рассмотрена область применения деталей, изготовленных из порошковых сталей. Показано, что легирование железных порошков для превращения их при спекании в стали целесообразно только при обеспечении высокой плотности формуемых порошковых деталей. Описаны исследования, проведенные на специально созданном штампе, по увеличению плотности формуемых порошковых дисков с помощью поворота пуансона штампа и создания сдвигов внутри порошковой заготовки.
Введение
Качество машиностроительных деталей, определяемое эксплуатационными характеристиками, в значительной степени зависит от структуры исходной заготовки и термомеханических режимов штамповки. При правильно выбранном термомеханическом режиме штамповки и последующей термической обработке можно добиться весьма существенного улучшения качества в результате направленного формирования внутреннего строения поковки. Однако полностью исключить химическую неоднородность внутреннего строения поковки и достичь однородного кристаллического строения удается не всегда.
С целью повышения качества деталей проводится их изготовление из порошков, поскольку химическую однородность отдельных частиц порошка, их размеры и кристаллическое строение обеспечить значительно проще. Кроме этого, преимущество применения порошковой металлургии для изготовления металлических деталей заключается в том, что оказывается возможным получать новые технические материалы, которые нельзя или невыгодно получать другими способами. Таковы, например, тугоплавкие и твердые металлы и сплавы, композиции из металлов, не смешивающихся в жидком состоянии и не образующих твердых растворов или неметаллических соединений (железо – свинец и др.). Другим достоинством порошковой металлургии является близость штампованной заготовки к размерам детали и сокращение операций обработки заготовки резанием.
Отметим, что повышение коэффициента использования металла (КИМ) при замене производства стальных деталей объемной штамповкой на производство их из порошков составляет всего 10–15%. Порошковые заготовки, как и поковки, произведенные объемной штамповкой из прутковых заготовок, нуждаются в доводочных операциях, связанных с установкой на станки, поэтому при переходе на производство деталей из порошков, по сравнению с их производством из стальных поковок, трудозатраты при обработке резанием сокращаются незначительно.
Представляет интерес область применения изделий из порошков при производстве облицовок зарядов кумулятивных перфораторов, используемых в нефтяной и газовой промышленности для пробития каналов, осуществляющих связь между скважиной и продуктивным пластом и увеличивающих поток нефти и газа в эксплуатационную скважину. В скважину, укрепленную обсадной трубой, опускают кумулятивный перфоратор и производят его подрыв [1]. В результате взрыва и выброса при взрыве массы материала формируется кумулятивная струя, которая пробивает стенку обсадной трубы, слои затрубного цементита и формирует канал в продуктивном пласте.
Облицовки, изготовленные из медного листа (применявшиеся в традиционных конструкциях), имели высокую пробивную способность, но очень часто закупоривали каналы низкоскоростными крупными осколками, которые сваривались в так называемый пест. До 40% пробитых каналов оказывались закрыты пестом.
При изготовлении облицовок из порошковых материалов пест не образуется. Наиболее распространенным материалом для изготовления облицовок является смесь порошков меди, свинца и углерода. Пробивная способность таких облицовок зависит от удачно подобранного процентного соотношения основных компонентов их материала [2], равноплотности облицовки (неравномерность плотности не должна превышать 0,6 г/см3) и их равнотолщинности (неравномерность толщины должна быть менее 0,05 мм).
При отсутствии песта мелкие осколки не застревают в пробитых в боковых стенках скважины отверстиях, а вымываются из них струями нефти или газа.
Существенно преимущество порошковой металлургии в получении таких новых технических материалов, в которых остаточная пористость играет положительную роль (например, материалов, применяемых в подшипниках). Однако пористость является недостатком, когда новый материал должен иметь комплекс механических характеристик, сочетающих высокую прочность и ударную вязкость. Остаточная пористость в порошковых деталях, изготовленных холодным формованием и спеканием, составляет примерно 13–15%. При горячей штамповке порошковых заготовок остаточная пористость практически отсутствует, но высокие прочность и ударная вязкость изделий не достигаются, поскольку частицы порошка покрыты оксидной пленкой, что затрудняет диффузионные процессы между ними. Кроме того, при горячей штамповке увеличиваются по сравнению с холодным формованием и спеканием припуски на наружных поверхностях поковки, удаляемые последующей обработкой резанием.
Расширение производства деталей из порошков на железной основе может быть достигнуто при разработке новых методов уплотнения порошков без нагрева, позволяющих обеспечить высокую плотность деталей. Требуемого комплекса механических характеристик можно достигнуть, если изготовить холодным формованием детали с остаточной пористостью менее 5% и осуществить диффузию при спекании в защитной атмосфере. Описание технологии и оборудования для осуществления такой штамповки приведено в настоящей статье ниже.
Применяют два способа изготовления порошковых деталей из железа, легированного другими материалами (порошковой стали). Первый способ – это перемешивание различных порошковых компонентов (железной основы и легирующих элементов) и получение порошковой шихты. Затем из шихты формуют деталь, и превращают материал формованной детали в сталь в результате металлургических процессов, протекающих при спекании детали. Второй способ – это обработка порошков, полученных размельчением слитков из легированной стали, их формование и спекание. В первом случае сплав называют негомогеннолегированным, во втором случае – гомогеннолегированным.
Целью настоящей статьи являются разработка способа холодного формования высокоплотных деталей типа колец, реализуемого в штампах на универсальном прессовом оборудовании, обоснование рациональности конструкции и создание штампа, проведение исследования способа и выдача рекомендаций для его применения.
Основная часть
В работе [3] показано, что способ уплотнения порошковой шихты с интенсивными сдвигами частиц дает возможность существенно легировать порошковые композиции на железной основе. При проведении последующего спекания порошковая композиция превращается в порошковую сталь, при этом удельная сила на формующем порошок инструменте при формовании деталей не превышает 1 000 МПа.
Для формования тонкостенной порошковой детали, имеющей круглую плоскую или коническую форму, со сдвигом частиц относительно друг друга применяют штампы, в которых формующий пуансон, наряду с поступательным движением, осуществляет поворот вокруг своей оси. Конструкции таких штампов рассмотрены ниже.
Прежде чем рассматривать конструкции штампов, целесообразно обсудить устройство механизма, обеспечивающего поступательное и одновременно вращательное движение пуансона (рис. 1) [4].
В этом механизме под действием силы P перемещается вниз винт 1 с нарезанной на внешней его поверхности несамотормозящей резьбой (ходовой винт). Резьба на внешней поверхности винта контактирует с соответствующей резьбой на внутренней поверхности неподвижной гайки 2. При перемещении внутри гайки винт 1 совершает не только поступательное движение со скоростью vω, но и вращательное движение с угловой скоростью ωv. Через соединение 3 вращение винта передается на пуансон 4. Индексы у обозначений скоростей показывают, что скорости vω и ωv являются зависимыми между собой. Эта зависимость определяется углом подъема резьбы α, который показан на рис. 2.
У приведенного на рис. 1 винта 1 скорость его осевого перемещения vω связана с его угловой скоростью ωv следующим выражением:
vω = ωv . (1)
В приведенной на рис. 1 схеме активной является сила P, действующая на винт. Из рассмотрения истории развития [5, 6] винтовых кузнечно-штамповочных машин следует, что сначала разрабатывали механические и электротехнические приводы машин (фрикционные приводы разных модификаций, дугостаторные и т. п.). Отметим существующую терминологическую неточность. Существующие в настоящее время представители винтовых машин с фрикционным и дугостаторным приводом называют прессами, хотя на самом деле они являются молотами. Приводы этих машин создают эффективную энергию Tэvω, необходимую для разгона подвижных частей до требуемой скорости, но не могут создать силу P, действующую на деформируемую заготовку. В то же время именно воздействие силой P на деформируемую заготовку характеризует кузнечно-штамповочную машину как пресс. Создающая силу P на деформируемую заготовку винтовая кузнечно-штамповочная машина обладает не только свойствами молота, но также и свойствами пресса. Ее называют «пресс-молот». Пресс-молоты имеют гидравлический привод.
Развитие гидравлического привода происходило поэтапно. В создаваемых на начальном этапе машинах сила P действовала на винт только до начала штамповки, при разгоне подвижных частей. На рис. 3 вертикальная линия с буквой C соответствует прекращению действия силы P. При действии силы P на таком неполном этапе рабочего хода подвижных частей Sр эффективная энергия Tэvω должна создать работу Aд, чтобы деформировать заготовку и изготовить деталь. Если расчет эффективной энергии Tэvω выполнен не в соответствии с работой Aд, ползун машины не дойдет до точки b, показанной на рис. 3.
Позже осуществили создание машин, действующих при совместном и одновременном использовании трех видов энергии. Для таких машин эффективную энергию Tэ записывают в виде Tэvωp, где стоящий в индексе знак p означает действующее на винт давление рабочей жидкости, осуществляемое до конца рабочего хода Sр, то есть до точки b на рис. 3.
Опыт создания гидровинтовых пресс-молотов показывает, что их разработчикам приходилось решать проблему, связанную с тем, что сила на ползун передается через резьбовую пару. Несмотря на то, что резьба является несамотормозящей, на заключительной стадии штамповки, вблизи точки b на рис. 3, под действием силы P из резьбового контакта пары винт-гайка выдавливается смазка, и образуются условия, близкие к сухому трению. У существующих в настоящее время отдельных представителей винтовых машин с фрикционным и дугостаторным приводом, которые называют прессами, хотя они являются молотами, описанная здесь проблема отсутствует.
Авторы настоящей статьи внесли свой вклад в решение указанной проблемы уменьшения трения на контакте пары винт-гайка у гидровинтовых пресс-молотов. Для этого ими разработана технология нанесения на контактирующие между собой детали, находящиеся под высоким давлением, износостойких самосмазывающихся покрытий. В основе разработанной технологии лежит переработка титановой стружки, являющейся отходом авиастроения [7].
Авторы работы [4] показали, что кручение инструмента по торцу заготовки существенно снижает силу трения между ними и таким образом снижает силу штамповки тонкостенного диска или воронки. Однако при формовании порошковой заготовки, для создания только сдвигов между частицами, требуется поворот пуансона на небольшой угол. Ограничением в увеличении доли деформации сдвига в порошковой заготовке является начало проскальзывания пуансона по ее торцевой поверхности, зависящее от условий контактного трения, регулируемого, в частности, содержанием смазочного материала (порошка стеарата цинка) в железном порошке. Уменьшение содержания смазочного материала способствует повышению контактного трения, но в то же время препятствует уплотняемости порошка. На начало проскальзывания влияет также шероховатость торца пуансона.
Поскольку при формовании порошковых деталей требуется поворот пуансона на небольшой угол, можно использовать описанные ниже штампы, содержащие в своей конструкции пару винт-гайка с несамотормозящей резьбой. Такие штампы устанавливают на универсальные штамповочные прессы. Например, на гидравлические прессы или прессы для холодного выдавливания серии КБ00ХХ, выпускаемые Барнаульским заводом. Эти прессы отличаются большими размерами штампового пространства, в частности большой закрытой высотой, и большим ходом ползуна.
На рис. 4 приведен один из вариантов конструкции штампа с поворачивающимся пуансоном, в котором на уплотняемую шихту через винтовую пару передается сила пресса.
Нижняя плита 1 штампа, в которой размещена матрица с засыпанной порошковой шихтой, установлена на столе пресса. Гайка 2 также опирается на стол пресса. На винт 4 с пуансоном 6 на нижнем торце и антифрикционной прокладкой 5 на верхнем торце сверху создает силу ползун пресса. Изготовленная деталь 3 выталкивается из матрицы выталкивателем. Угол наклона винтовой пары должен составлять 18° и более, иначе винт не будет поворачиваться вследствие больших потерь на трение в резьбе.
Недостатком показанной на рис. 4 конструкции штампа являются очень большие потери создаваемой прессом силы на преодоление трения. При силе пресса 5 МН на заготовку передается не больше 2,5–3 МН. Другим недостатком является строго фиксированное соотношение поступательного и вращательного движений инструмента.
Значительно более рациональной является конструкция штампа, показанная на рис. 5. К ползуну 1 пресса прикреплена гайка 2. Внутри гайки 2 находится винт 3 с пуансоном на нижнем торце. Порошковая заготовка 4 находится в матрице в полости штампа 7. Между верхним торцом винта и ползуном пресса размещен упругий элемент 6. Выталкиватель 5 служит для извлечения изделия из матрицы. Если элемент 6 убрать, то осевая сила будет определяться трением в резьбе винтовой пары.
Преимущество рассмотренной конструкции штампа состоит в том, что вся сила пресса передается на порошковую заготовку, а соотношение между поступательным и вращательным движениями пуансона зависит от жесткости упругого элемента 6 штампа при постоянном угле наклона пары винт 3 – гайка 2.
На рис. 6 приведена конструкция штампа, в которой реализована схема, показанная на рис. 5. Штамп содержит матрицу 1 с полостью для порошка 2, установленные на столе 10 в обойму 3, закрепленную на верхней плите 4. В полости обоймы 3 размещена винтовая пара: винт 5, гайка 6, причем гайка 6 закреплена в обойме 3, а винт 5 в начальном положении удерживается от выпадения из гайки 6 при помощи своего фланца. На нижнем торце винта 5 закреплен пуансон 7. Внутри обоймы 3 с первоначальным зазором относительно верхнего торца винта 5 расположен ограничительный диск 8, над которым размещен упругий элемент 9, предварительное сжатие которого осуществляется при закреплении обоймы 3 к верхней плите 4 и регулируется толщиной ограничительного диска 8.
Штамп работает следующим образом. После засыпки порошка 2 в полость корпуса 1 верхняя плита 4 с обоймой 3, гайкой 6, винтом 5, опирающимся в первоначальном положении своим фланцем на торец гайки, и пуансоном 7 движется вниз. При соприкосновении пуансона 7 с порошковой заготовкой винт 5 начинает перемещаться относительно гайки 6, совершая вынужденное вращательное движение. При этом происходит подравнивание верхнего слоя порошка под действием веса вращающегося винта и пуансона, а также трения в резьбе винтовой пары. После того как верхний торец винта упирается в ограничительный диск 8, винт на некотором этапе своего движения перестает вращаться и, перемещаясь совместно с обоймой 3 и гайкой 6, производит формование порошка. Как только сила на верхнем торце винта 5 станет больше силы предварительного сжатия упругого элемента 9, винт 5 перемещается вместе с ограничительным диском 8 относительно гайки 6 в обойме 3, в результате чего окончательное формование осуществляется при осевом перемещении пуансона 7 с одновременным его вращением.
При этом соотношение вращательного и поступательного перемещений пуансона зависит не только от угла подъема резьбы пары винт – гайка, но и от жесткости применяемого упругого элемента. Это дает возможность совершать пуансоном винтовое движение с углами подъема, намного меньшими предельных для несамотормозящей резьбы.
По окончании формования заготовки при обратном ходе ползуна пресса с верхней плитой штампа 4 ограничительный диск 8 и винт 5 под действием упругого элемента и силы тяжести возвращаются в первоначальное положение и продолжая подниматься вместе с обоймой 3 и гайкой 6 освобождают формованную деталь, которая извлекается из корпуса 1 при помощи выталкивателя.
Аналитически исследована удельная сила формования колец в зависимости от соотношения поступательного и вращательного перемещений пуансона.
При исследовании штампа описанной конструкции был проведен расчет сил и моментов нагружения в системе заготовка-штамп путем совместного решения уравнений:
P = Pг + Pпр,
Mг = Mтр + Mтр.р + Mтр.пр. (1)
В системе уравнений (1) P – сила формования заготовки, Pг – сила, передаваемая через гайку, Pпр – сила, передаваемая через упругий элемент штампа, Mг – момент, возникающий на винте под действием сил, приложенных к гайке, Mтр – момент от силы трения между пуансоном и формуемой заготовкой, Mтр.р – момент от силы трения в резьбе винтовой пары, Mтр.пр – момент от силы трения между упругим элементом штампа и торцом винта. При решении системы уравнений (1) учтены следующие технологические параметры процесса и конструктивные параметры штампа:
μ – коэффициент трения между пуансоном и заготовкой;
fр – коэффициент трения в резьбе винтовой пары;
fпр – коэффициент трения между упругим элементом штампа и торцом винта;
rр – средний радиус резьбы винтовой пары;
rпр – внутренний радиус упругого элемента штампа;
S – шаг подъема резьбы винта;
D – внешний диаметр формуемой заготовки;
d – внутренний диаметр формуемой заготовки;
h – толщина формуемой заготовки.
В результате решения системы уравнений (1) построены графики [8], в частности, график, приведенный на рис. 7. Огибающая линия 7 характеризует удельные силы, соответствующие наилучшему нагружению для получения заданной плотности формуемой заготовки. При использовании упругого элемента с жесткостью меньше Kпред происходит проскальзывание пуансона по заготовке, что приводит к увеличению работы деформирования без повышения плотности изделия, а также портит качество его поверхности.
В описанном штампе проведен эксперимент по формованию образцов порошковых деталей. При этом изучалось влияние жесткости упругого элемента штампа, поз. 9 на рис. 6 (фактор X1), шероховатости торца пуансона (фактор X2), типа легированного порошка (фактор X3) и количества порошка стеарата цинка (выполняющего роль смазки) в порошковой шихте (фактор X4) на плотность формованных образцов, а также твердость образцов после их спекания.
Эксперимент проводили на гомогеннолегированном порошке Н4МД1,5 (4% Ni, 1,5% Сu, 0,5% Mo), полученном распылением водой высокого давления на опытно-промышленной установке НПО «Тулачермет» и порошке ULTRAPAC-LE, содержащем 4% Ni, 1,5% Cu, 0,5% Mo [9]. Последний порошок относится к категории частично легированных. Это порошок, полученный распылением слитка легированной стали, в который при приготовлении шихты добавлены дополнительные порошки легирующих компонентов.
Для построения математической модели по результатам эксперимента порошкам (фактор X3) присвоили условные численные значения: 0 – порошок ULTRAPAC-LE, 1 – порошок Н4МД1,5. Такие условные численные значения для этих порошков надо подставлять в приведенные ниже модели (2) и (3). При проведении опытов для построения этих моделей фактор X1 принимали равным 80 и 160 кН / мм. Фактор X2 принимали равным 1,25 и 2,5 мкм. Фактор X4 принимали равным 0,5 и 1%
В эксперименте образцы формовали при удельной силе на пуансоне p, равной 480 МПа из предварительно подготовленной шихты, состав которой (марку порошка и содержание стеарата цинка) задавали в соответствии с планом эксперимента.
Формованные в штампе образцы спекали при температуре 1 150 °C в печи конвейерного типа в течение 1 ч в среде водорода. После спекания измеряли твердость образцов по Бринеллю. Выходные параметры – плотности γ и твердости НВ образцов после спекания – указаны в левых частях математических моделей, соответственно, (2) и (3).
Математическая модель для плотности в натуральном масштабе имеет вид:
γ [г / см3] = 6,32 + 0,00208X1 + 0,34X2 − 0,192X3 + 0,16X4 −
− 0,0016X1X2 − 0,00115X1X3. (2)
Математическая модель для твердости – следующий вид:
HB = 142,47 + 0,0878X1 + 35,6X2 − 44,44X3 − 17X4 −
− 0,15X1X2 − 0,138X1X3 + 0,175X1X4. (3)
В моделях последние члены, содержащие произведения факторов, описывают взаимное влияние факторов: шероховатость торца пуансона, тип порошка и количество стеарата цинка в шихте влияют на выходной параметр по-разному в зависимости от того, какую величину имеет жесткость упругого элемента штампа.
Анализ моделей (2) и (3) показывает, что уменьшение жесткости упругого элемента штампа (поз. 9 на рис. 6) приводит к повышению плотности и твердости деталей так же, как и использование пуансона с большей шероховатостью торца. Из сравненных порошков лучшим является ULTRAPAC-LE, поскольку при нем достигается большая плотность и большая твердость деталей. При использовании пуансонов с большей шероховатостью торца целесообразно жесткость упругого элемента штампа уменьшать. Повышение содержания стеарата цинка с 0,5 до 1% улучшает формуемость шихты.
На рис. 8 представлена зависимость плотности формованных колец от жесткости примененного упругого элемента штампа.
Видно, что рациональный выбор жесткости упругого элемента штампа позволяет изготовлять детали с одинаковой плотностью из обоих рассмотренных порошков (в частности, детали с плотностью 7 г / см3), но только при различных соотношениях поступательного и вращательного движений пуансона. Для описанного штампа такая плотность достигается при использовании упругого элемента с жесткостью 0,17 МН / мм для первого порошка и упругого элемента с жесткостью 0,04 МН / мм для второго порошка.
Заключение
Таким образом, разработаны технология и конструкция штампового оборудования для производства высокоплотных деталей при создании давлений на порошок, имеющих меньшую величину, чем в традиционных процессах изготовления порошковых изделий на железной основе. При возможном увеличении давлений достигается увеличение плотности без образования трещин и расслоений заготовки.
Практика работы со штампом описанной в настоящей статье конструкции показала, что для рассматриваемых штампов актуально выдавливание смазочного материала под действием силы P из резьбового контакта пары винт-гайка, приводящее к работе этой пары в условиях, близких к сухому трению. Авторы настоящей статьи разработали технологию нанесения износостойких самосмазывающихся покрытий на контактирующие между собой детали, находящиеся под высоким давлением, опубликованную в работе, указанной выше в тексте настоящей статьи.
При формовании с поворотом пуансона низких колец из порошка на железной основе одинаковые плотности деталей могут быть достигнуты при различных сочетаниях осевых сжимающих и окружных касательных напряжений. В результате исследования формования порошковых колец поворачивающимся пуансоном установлено, что увеличение окружного перемещения пуансона и повышение шероховатости его торца приводит к повышению плотности деталей и их твердости после спекания.
Литература
Быков Ю. А., Воркина Т. Е. Разработка материалов для безпестовых облицовок кумулятивных зарядов перфораторов // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1994. № 1. С. 25–31.
Голенков В. А., Дмитриев А. М., Кухарь В. Д. и др. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением. М.: Машиностроение, 2004. 464 с.
Дмитриев А. М., Коробова Н. В. Создание формованием на специализированных прессах сдвигов между частицами уплотняемого железного порошка для повышения прочности изготовленных деталей // Заготовительные производства в машиностроении. 2024.
Субич В. Н., Дёмин В. А., Шестаков Н. А., Власов А. В. Штамповка с кручением: Монография. М.: Моск. гос. индустр. ун-т, 2008. 389 с.
Бочаров Ю. А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.
Бочаров Ю. А. Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 480 с.
Дмитриев А. М., Беликов А. И., Коробова Н. В., Панфилов Ю. В. Создание на основе переработки титановой стружки наноструктурированных износостойких самосмазывающихся покрытий на поверхностях деталей машин и технологического инструмента // Технология легких сплавов. 2010. № 3. С. 79–86.
Дёмин В. А., Дмитриев А. М. Наукоемкая штамповка высокоплотных дисков из порошков на основе железа // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 2 (08). С. 29–35.
Mannesmann Demag. Iron and Steel Powders for Sintered Components: Проспект. 59 р.
Авторы
Дмитриев Александр Михайлович – доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, МГТУ «Станкин», Москва
Коробова Наталья Васильевна – доктор технических наук, заведующий кафедрой «Системы пластического деформирования», МГТУ «Станкин», Москва
из порошков на железной основе
А. М. Дмитриев, Н. В. Коробова
Рассмотрена область применения деталей, изготовленных из порошковых сталей. Показано, что легирование железных порошков для превращения их при спекании в стали целесообразно только при обеспечении высокой плотности формуемых порошковых деталей. Описаны исследования, проведенные на специально созданном штампе, по увеличению плотности формуемых порошковых дисков с помощью поворота пуансона штампа и создания сдвигов внутри порошковой заготовки.
Введение
Качество машиностроительных деталей, определяемое эксплуатационными характеристиками, в значительной степени зависит от структуры исходной заготовки и термомеханических режимов штамповки. При правильно выбранном термомеханическом режиме штамповки и последующей термической обработке можно добиться весьма существенного улучшения качества в результате направленного формирования внутреннего строения поковки. Однако полностью исключить химическую неоднородность внутреннего строения поковки и достичь однородного кристаллического строения удается не всегда.
С целью повышения качества деталей проводится их изготовление из порошков, поскольку химическую однородность отдельных частиц порошка, их размеры и кристаллическое строение обеспечить значительно проще. Кроме этого, преимущество применения порошковой металлургии для изготовления металлических деталей заключается в том, что оказывается возможным получать новые технические материалы, которые нельзя или невыгодно получать другими способами. Таковы, например, тугоплавкие и твердые металлы и сплавы, композиции из металлов, не смешивающихся в жидком состоянии и не образующих твердых растворов или неметаллических соединений (железо – свинец и др.). Другим достоинством порошковой металлургии является близость штампованной заготовки к размерам детали и сокращение операций обработки заготовки резанием.
Отметим, что повышение коэффициента использования металла (КИМ) при замене производства стальных деталей объемной штамповкой на производство их из порошков составляет всего 10–15%. Порошковые заготовки, как и поковки, произведенные объемной штамповкой из прутковых заготовок, нуждаются в доводочных операциях, связанных с установкой на станки, поэтому при переходе на производство деталей из порошков, по сравнению с их производством из стальных поковок, трудозатраты при обработке резанием сокращаются незначительно.
Представляет интерес область применения изделий из порошков при производстве облицовок зарядов кумулятивных перфораторов, используемых в нефтяной и газовой промышленности для пробития каналов, осуществляющих связь между скважиной и продуктивным пластом и увеличивающих поток нефти и газа в эксплуатационную скважину. В скважину, укрепленную обсадной трубой, опускают кумулятивный перфоратор и производят его подрыв [1]. В результате взрыва и выброса при взрыве массы материала формируется кумулятивная струя, которая пробивает стенку обсадной трубы, слои затрубного цементита и формирует канал в продуктивном пласте.
Облицовки, изготовленные из медного листа (применявшиеся в традиционных конструкциях), имели высокую пробивную способность, но очень часто закупоривали каналы низкоскоростными крупными осколками, которые сваривались в так называемый пест. До 40% пробитых каналов оказывались закрыты пестом.
При изготовлении облицовок из порошковых материалов пест не образуется. Наиболее распространенным материалом для изготовления облицовок является смесь порошков меди, свинца и углерода. Пробивная способность таких облицовок зависит от удачно подобранного процентного соотношения основных компонентов их материала [2], равноплотности облицовки (неравномерность плотности не должна превышать 0,6 г/см3) и их равнотолщинности (неравномерность толщины должна быть менее 0,05 мм).
При отсутствии песта мелкие осколки не застревают в пробитых в боковых стенках скважины отверстиях, а вымываются из них струями нефти или газа.
Существенно преимущество порошковой металлургии в получении таких новых технических материалов, в которых остаточная пористость играет положительную роль (например, материалов, применяемых в подшипниках). Однако пористость является недостатком, когда новый материал должен иметь комплекс механических характеристик, сочетающих высокую прочность и ударную вязкость. Остаточная пористость в порошковых деталях, изготовленных холодным формованием и спеканием, составляет примерно 13–15%. При горячей штамповке порошковых заготовок остаточная пористость практически отсутствует, но высокие прочность и ударная вязкость изделий не достигаются, поскольку частицы порошка покрыты оксидной пленкой, что затрудняет диффузионные процессы между ними. Кроме того, при горячей штамповке увеличиваются по сравнению с холодным формованием и спеканием припуски на наружных поверхностях поковки, удаляемые последующей обработкой резанием.
Расширение производства деталей из порошков на железной основе может быть достигнуто при разработке новых методов уплотнения порошков без нагрева, позволяющих обеспечить высокую плотность деталей. Требуемого комплекса механических характеристик можно достигнуть, если изготовить холодным формованием детали с остаточной пористостью менее 5% и осуществить диффузию при спекании в защитной атмосфере. Описание технологии и оборудования для осуществления такой штамповки приведено в настоящей статье ниже.
Применяют два способа изготовления порошковых деталей из железа, легированного другими материалами (порошковой стали). Первый способ – это перемешивание различных порошковых компонентов (железной основы и легирующих элементов) и получение порошковой шихты. Затем из шихты формуют деталь, и превращают материал формованной детали в сталь в результате металлургических процессов, протекающих при спекании детали. Второй способ – это обработка порошков, полученных размельчением слитков из легированной стали, их формование и спекание. В первом случае сплав называют негомогеннолегированным, во втором случае – гомогеннолегированным.
Целью настоящей статьи являются разработка способа холодного формования высокоплотных деталей типа колец, реализуемого в штампах на универсальном прессовом оборудовании, обоснование рациональности конструкции и создание штампа, проведение исследования способа и выдача рекомендаций для его применения.
Основная часть
В работе [3] показано, что способ уплотнения порошковой шихты с интенсивными сдвигами частиц дает возможность существенно легировать порошковые композиции на железной основе. При проведении последующего спекания порошковая композиция превращается в порошковую сталь, при этом удельная сила на формующем порошок инструменте при формовании деталей не превышает 1 000 МПа.
Для формования тонкостенной порошковой детали, имеющей круглую плоскую или коническую форму, со сдвигом частиц относительно друг друга применяют штампы, в которых формующий пуансон, наряду с поступательным движением, осуществляет поворот вокруг своей оси. Конструкции таких штампов рассмотрены ниже.
Прежде чем рассматривать конструкции штампов, целесообразно обсудить устройство механизма, обеспечивающего поступательное и одновременно вращательное движение пуансона (рис. 1) [4].
В этом механизме под действием силы P перемещается вниз винт 1 с нарезанной на внешней его поверхности несамотормозящей резьбой (ходовой винт). Резьба на внешней поверхности винта контактирует с соответствующей резьбой на внутренней поверхности неподвижной гайки 2. При перемещении внутри гайки винт 1 совершает не только поступательное движение со скоростью vω, но и вращательное движение с угловой скоростью ωv. Через соединение 3 вращение винта передается на пуансон 4. Индексы у обозначений скоростей показывают, что скорости vω и ωv являются зависимыми между собой. Эта зависимость определяется углом подъема резьбы α, который показан на рис. 2.
У приведенного на рис. 1 винта 1 скорость его осевого перемещения vω связана с его угловой скоростью ωv следующим выражением:
vω = ωv . (1)
В приведенной на рис. 1 схеме активной является сила P, действующая на винт. Из рассмотрения истории развития [5, 6] винтовых кузнечно-штамповочных машин следует, что сначала разрабатывали механические и электротехнические приводы машин (фрикционные приводы разных модификаций, дугостаторные и т. п.). Отметим существующую терминологическую неточность. Существующие в настоящее время представители винтовых машин с фрикционным и дугостаторным приводом называют прессами, хотя на самом деле они являются молотами. Приводы этих машин создают эффективную энергию Tэvω, необходимую для разгона подвижных частей до требуемой скорости, но не могут создать силу P, действующую на деформируемую заготовку. В то же время именно воздействие силой P на деформируемую заготовку характеризует кузнечно-штамповочную машину как пресс. Создающая силу P на деформируемую заготовку винтовая кузнечно-штамповочная машина обладает не только свойствами молота, но также и свойствами пресса. Ее называют «пресс-молот». Пресс-молоты имеют гидравлический привод.
Развитие гидравлического привода происходило поэтапно. В создаваемых на начальном этапе машинах сила P действовала на винт только до начала штамповки, при разгоне подвижных частей. На рис. 3 вертикальная линия с буквой C соответствует прекращению действия силы P. При действии силы P на таком неполном этапе рабочего хода подвижных частей Sр эффективная энергия Tэvω должна создать работу Aд, чтобы деформировать заготовку и изготовить деталь. Если расчет эффективной энергии Tэvω выполнен не в соответствии с работой Aд, ползун машины не дойдет до точки b, показанной на рис. 3.
Позже осуществили создание машин, действующих при совместном и одновременном использовании трех видов энергии. Для таких машин эффективную энергию Tэ записывают в виде Tэvωp, где стоящий в индексе знак p означает действующее на винт давление рабочей жидкости, осуществляемое до конца рабочего хода Sр, то есть до точки b на рис. 3.
Опыт создания гидровинтовых пресс-молотов показывает, что их разработчикам приходилось решать проблему, связанную с тем, что сила на ползун передается через резьбовую пару. Несмотря на то, что резьба является несамотормозящей, на заключительной стадии штамповки, вблизи точки b на рис. 3, под действием силы P из резьбового контакта пары винт-гайка выдавливается смазка, и образуются условия, близкие к сухому трению. У существующих в настоящее время отдельных представителей винтовых машин с фрикционным и дугостаторным приводом, которые называют прессами, хотя они являются молотами, описанная здесь проблема отсутствует.
Авторы настоящей статьи внесли свой вклад в решение указанной проблемы уменьшения трения на контакте пары винт-гайка у гидровинтовых пресс-молотов. Для этого ими разработана технология нанесения на контактирующие между собой детали, находящиеся под высоким давлением, износостойких самосмазывающихся покрытий. В основе разработанной технологии лежит переработка титановой стружки, являющейся отходом авиастроения [7].
Авторы работы [4] показали, что кручение инструмента по торцу заготовки существенно снижает силу трения между ними и таким образом снижает силу штамповки тонкостенного диска или воронки. Однако при формовании порошковой заготовки, для создания только сдвигов между частицами, требуется поворот пуансона на небольшой угол. Ограничением в увеличении доли деформации сдвига в порошковой заготовке является начало проскальзывания пуансона по ее торцевой поверхности, зависящее от условий контактного трения, регулируемого, в частности, содержанием смазочного материала (порошка стеарата цинка) в железном порошке. Уменьшение содержания смазочного материала способствует повышению контактного трения, но в то же время препятствует уплотняемости порошка. На начало проскальзывания влияет также шероховатость торца пуансона.
Поскольку при формовании порошковых деталей требуется поворот пуансона на небольшой угол, можно использовать описанные ниже штампы, содержащие в своей конструкции пару винт-гайка с несамотормозящей резьбой. Такие штампы устанавливают на универсальные штамповочные прессы. Например, на гидравлические прессы или прессы для холодного выдавливания серии КБ00ХХ, выпускаемые Барнаульским заводом. Эти прессы отличаются большими размерами штампового пространства, в частности большой закрытой высотой, и большим ходом ползуна.
На рис. 4 приведен один из вариантов конструкции штампа с поворачивающимся пуансоном, в котором на уплотняемую шихту через винтовую пару передается сила пресса.
Нижняя плита 1 штампа, в которой размещена матрица с засыпанной порошковой шихтой, установлена на столе пресса. Гайка 2 также опирается на стол пресса. На винт 4 с пуансоном 6 на нижнем торце и антифрикционной прокладкой 5 на верхнем торце сверху создает силу ползун пресса. Изготовленная деталь 3 выталкивается из матрицы выталкивателем. Угол наклона винтовой пары должен составлять 18° и более, иначе винт не будет поворачиваться вследствие больших потерь на трение в резьбе.
Недостатком показанной на рис. 4 конструкции штампа являются очень большие потери создаваемой прессом силы на преодоление трения. При силе пресса 5 МН на заготовку передается не больше 2,5–3 МН. Другим недостатком является строго фиксированное соотношение поступательного и вращательного движений инструмента.
Значительно более рациональной является конструкция штампа, показанная на рис. 5. К ползуну 1 пресса прикреплена гайка 2. Внутри гайки 2 находится винт 3 с пуансоном на нижнем торце. Порошковая заготовка 4 находится в матрице в полости штампа 7. Между верхним торцом винта и ползуном пресса размещен упругий элемент 6. Выталкиватель 5 служит для извлечения изделия из матрицы. Если элемент 6 убрать, то осевая сила будет определяться трением в резьбе винтовой пары.
Преимущество рассмотренной конструкции штампа состоит в том, что вся сила пресса передается на порошковую заготовку, а соотношение между поступательным и вращательным движениями пуансона зависит от жесткости упругого элемента 6 штампа при постоянном угле наклона пары винт 3 – гайка 2.
На рис. 6 приведена конструкция штампа, в которой реализована схема, показанная на рис. 5. Штамп содержит матрицу 1 с полостью для порошка 2, установленные на столе 10 в обойму 3, закрепленную на верхней плите 4. В полости обоймы 3 размещена винтовая пара: винт 5, гайка 6, причем гайка 6 закреплена в обойме 3, а винт 5 в начальном положении удерживается от выпадения из гайки 6 при помощи своего фланца. На нижнем торце винта 5 закреплен пуансон 7. Внутри обоймы 3 с первоначальным зазором относительно верхнего торца винта 5 расположен ограничительный диск 8, над которым размещен упругий элемент 9, предварительное сжатие которого осуществляется при закреплении обоймы 3 к верхней плите 4 и регулируется толщиной ограничительного диска 8.
Штамп работает следующим образом. После засыпки порошка 2 в полость корпуса 1 верхняя плита 4 с обоймой 3, гайкой 6, винтом 5, опирающимся в первоначальном положении своим фланцем на торец гайки, и пуансоном 7 движется вниз. При соприкосновении пуансона 7 с порошковой заготовкой винт 5 начинает перемещаться относительно гайки 6, совершая вынужденное вращательное движение. При этом происходит подравнивание верхнего слоя порошка под действием веса вращающегося винта и пуансона, а также трения в резьбе винтовой пары. После того как верхний торец винта упирается в ограничительный диск 8, винт на некотором этапе своего движения перестает вращаться и, перемещаясь совместно с обоймой 3 и гайкой 6, производит формование порошка. Как только сила на верхнем торце винта 5 станет больше силы предварительного сжатия упругого элемента 9, винт 5 перемещается вместе с ограничительным диском 8 относительно гайки 6 в обойме 3, в результате чего окончательное формование осуществляется при осевом перемещении пуансона 7 с одновременным его вращением.
При этом соотношение вращательного и поступательного перемещений пуансона зависит не только от угла подъема резьбы пары винт – гайка, но и от жесткости применяемого упругого элемента. Это дает возможность совершать пуансоном винтовое движение с углами подъема, намного меньшими предельных для несамотормозящей резьбы.
По окончании формования заготовки при обратном ходе ползуна пресса с верхней плитой штампа 4 ограничительный диск 8 и винт 5 под действием упругого элемента и силы тяжести возвращаются в первоначальное положение и продолжая подниматься вместе с обоймой 3 и гайкой 6 освобождают формованную деталь, которая извлекается из корпуса 1 при помощи выталкивателя.
Аналитически исследована удельная сила формования колец в зависимости от соотношения поступательного и вращательного перемещений пуансона.
При исследовании штампа описанной конструкции был проведен расчет сил и моментов нагружения в системе заготовка-штамп путем совместного решения уравнений:
P = Pг + Pпр,
Mг = Mтр + Mтр.р + Mтр.пр. (1)
В системе уравнений (1) P – сила формования заготовки, Pг – сила, передаваемая через гайку, Pпр – сила, передаваемая через упругий элемент штампа, Mг – момент, возникающий на винте под действием сил, приложенных к гайке, Mтр – момент от силы трения между пуансоном и формуемой заготовкой, Mтр.р – момент от силы трения в резьбе винтовой пары, Mтр.пр – момент от силы трения между упругим элементом штампа и торцом винта. При решении системы уравнений (1) учтены следующие технологические параметры процесса и конструктивные параметры штампа:
μ – коэффициент трения между пуансоном и заготовкой;
fр – коэффициент трения в резьбе винтовой пары;
fпр – коэффициент трения между упругим элементом штампа и торцом винта;
rр – средний радиус резьбы винтовой пары;
rпр – внутренний радиус упругого элемента штампа;
S – шаг подъема резьбы винта;
D – внешний диаметр формуемой заготовки;
d – внутренний диаметр формуемой заготовки;
h – толщина формуемой заготовки.
В результате решения системы уравнений (1) построены графики [8], в частности, график, приведенный на рис. 7. Огибающая линия 7 характеризует удельные силы, соответствующие наилучшему нагружению для получения заданной плотности формуемой заготовки. При использовании упругого элемента с жесткостью меньше Kпред происходит проскальзывание пуансона по заготовке, что приводит к увеличению работы деформирования без повышения плотности изделия, а также портит качество его поверхности.
В описанном штампе проведен эксперимент по формованию образцов порошковых деталей. При этом изучалось влияние жесткости упругого элемента штампа, поз. 9 на рис. 6 (фактор X1), шероховатости торца пуансона (фактор X2), типа легированного порошка (фактор X3) и количества порошка стеарата цинка (выполняющего роль смазки) в порошковой шихте (фактор X4) на плотность формованных образцов, а также твердость образцов после их спекания.
Эксперимент проводили на гомогеннолегированном порошке Н4МД1,5 (4% Ni, 1,5% Сu, 0,5% Mo), полученном распылением водой высокого давления на опытно-промышленной установке НПО «Тулачермет» и порошке ULTRAPAC-LE, содержащем 4% Ni, 1,5% Cu, 0,5% Mo [9]. Последний порошок относится к категории частично легированных. Это порошок, полученный распылением слитка легированной стали, в который при приготовлении шихты добавлены дополнительные порошки легирующих компонентов.
Для построения математической модели по результатам эксперимента порошкам (фактор X3) присвоили условные численные значения: 0 – порошок ULTRAPAC-LE, 1 – порошок Н4МД1,5. Такие условные численные значения для этих порошков надо подставлять в приведенные ниже модели (2) и (3). При проведении опытов для построения этих моделей фактор X1 принимали равным 80 и 160 кН / мм. Фактор X2 принимали равным 1,25 и 2,5 мкм. Фактор X4 принимали равным 0,5 и 1%
В эксперименте образцы формовали при удельной силе на пуансоне p, равной 480 МПа из предварительно подготовленной шихты, состав которой (марку порошка и содержание стеарата цинка) задавали в соответствии с планом эксперимента.
Формованные в штампе образцы спекали при температуре 1 150 °C в печи конвейерного типа в течение 1 ч в среде водорода. После спекания измеряли твердость образцов по Бринеллю. Выходные параметры – плотности γ и твердости НВ образцов после спекания – указаны в левых частях математических моделей, соответственно, (2) и (3).
Математическая модель для плотности в натуральном масштабе имеет вид:
γ [г / см3] = 6,32 + 0,00208X1 + 0,34X2 − 0,192X3 + 0,16X4 −
− 0,0016X1X2 − 0,00115X1X3. (2)
Математическая модель для твердости – следующий вид:
HB = 142,47 + 0,0878X1 + 35,6X2 − 44,44X3 − 17X4 −
− 0,15X1X2 − 0,138X1X3 + 0,175X1X4. (3)
В моделях последние члены, содержащие произведения факторов, описывают взаимное влияние факторов: шероховатость торца пуансона, тип порошка и количество стеарата цинка в шихте влияют на выходной параметр по-разному в зависимости от того, какую величину имеет жесткость упругого элемента штампа.
Анализ моделей (2) и (3) показывает, что уменьшение жесткости упругого элемента штампа (поз. 9 на рис. 6) приводит к повышению плотности и твердости деталей так же, как и использование пуансона с большей шероховатостью торца. Из сравненных порошков лучшим является ULTRAPAC-LE, поскольку при нем достигается большая плотность и большая твердость деталей. При использовании пуансонов с большей шероховатостью торца целесообразно жесткость упругого элемента штампа уменьшать. Повышение содержания стеарата цинка с 0,5 до 1% улучшает формуемость шихты.
На рис. 8 представлена зависимость плотности формованных колец от жесткости примененного упругого элемента штампа.
Видно, что рациональный выбор жесткости упругого элемента штампа позволяет изготовлять детали с одинаковой плотностью из обоих рассмотренных порошков (в частности, детали с плотностью 7 г / см3), но только при различных соотношениях поступательного и вращательного движений пуансона. Для описанного штампа такая плотность достигается при использовании упругого элемента с жесткостью 0,17 МН / мм для первого порошка и упругого элемента с жесткостью 0,04 МН / мм для второго порошка.
Заключение
Таким образом, разработаны технология и конструкция штампового оборудования для производства высокоплотных деталей при создании давлений на порошок, имеющих меньшую величину, чем в традиционных процессах изготовления порошковых изделий на железной основе. При возможном увеличении давлений достигается увеличение плотности без образования трещин и расслоений заготовки.
Практика работы со штампом описанной в настоящей статье конструкции показала, что для рассматриваемых штампов актуально выдавливание смазочного материала под действием силы P из резьбового контакта пары винт-гайка, приводящее к работе этой пары в условиях, близких к сухому трению. Авторы настоящей статьи разработали технологию нанесения износостойких самосмазывающихся покрытий на контактирующие между собой детали, находящиеся под высоким давлением, опубликованную в работе, указанной выше в тексте настоящей статьи.
При формовании с поворотом пуансона низких колец из порошка на железной основе одинаковые плотности деталей могут быть достигнуты при различных сочетаниях осевых сжимающих и окружных касательных напряжений. В результате исследования формования порошковых колец поворачивающимся пуансоном установлено, что увеличение окружного перемещения пуансона и повышение шероховатости его торца приводит к повышению плотности деталей и их твердости после спекания.
Литература
Быков Ю. А., Воркина Т. Е. Разработка материалов для безпестовых облицовок кумулятивных зарядов перфораторов // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1994. № 1. С. 25–31.
Голенков В. А., Дмитриев А. М., Кухарь В. Д. и др. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением. М.: Машиностроение, 2004. 464 с.
Дмитриев А. М., Коробова Н. В. Создание формованием на специализированных прессах сдвигов между частицами уплотняемого железного порошка для повышения прочности изготовленных деталей // Заготовительные производства в машиностроении. 2024.
Субич В. Н., Дёмин В. А., Шестаков Н. А., Власов А. В. Штамповка с кручением: Монография. М.: Моск. гос. индустр. ун-т, 2008. 389 с.
Бочаров Ю. А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.
Бочаров Ю. А. Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для вузов. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 480 с.
Дмитриев А. М., Беликов А. И., Коробова Н. В., Панфилов Ю. В. Создание на основе переработки титановой стружки наноструктурированных износостойких самосмазывающихся покрытий на поверхностях деталей машин и технологического инструмента // Технология легких сплавов. 2010. № 3. С. 79–86.
Дёмин В. А., Дмитриев А. М. Наукоемкая штамповка высокоплотных дисков из порошков на основе железа // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 2 (08). С. 29–35.
Mannesmann Demag. Iron and Steel Powders for Sintered Components: Проспект. 59 р.
Авторы
Дмитриев Александр Михайлович – доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, МГТУ «Станкин», Москва
Коробова Наталья Васильевна – доктор технических наук, заведующий кафедрой «Системы пластического деформирования», МГТУ «Станкин», Москва
Отзывы читателей
