Изотермическое деформирование материалов

 

Изотермическое деформирование (ИД) – это процесс формоизменения заготовки в штампе, нагретом до температуры деформации. От сверхпластической деформации ИД отличается отсутствием регламентирования скоростного диапазона деформации и требований к наличию специальной структуры в материале заготовки.

Для изотермического деформирования применяют, в основном, гидравлические прессы. При этом скорость деформации может быть сколь угодно малой величиной и нижний ее предел ограничен только требованиями к производительности процесса. Уменьшение скорости деформации обеспечивает значительно меньшее напряжение течения металла по сравнению с обычными условиями горячей штамповки. Уменьшение напряжения течения особенно заметно при переходе в зону скоростей сверхпластической деформации, в которой наблюдается повышенная чувствительность сопротивления деформированию к изменению скорости.

Резкое снижение удельных усилий при ИД обусловливает меньшую потребную мощность прессового оборудования. Например, при изотерми-ческой штамповке заготовок с тонким и широким полотном из титановых сплавов ВТЗ-1 и ВТ8 средние удельные усилия составляли 250…300 МПа при отношении ширины полотна к его толщине ~ 25. При штамповке аналогичных деталей в обычных условиях на кривошипном прессе удельные усилия составляли 800…1000 МПа. Однако и при таких удельных усилиях не удавалось получить отношение ширины полотна к его толщине более 15.

В зависимости от материала обрабатываемой детали, ее формы, размеров и условий деформации усилия деформирования при изотермических условиях в сравнении с обычными могут снижаться в 10 раз. Использование для изотермической штамповки менее мощного оборудования особенно важно при получении крупногабаритных и сложных поковок типа балок, дисков, кронштейнов. Штамповка таких деталей в обычных условиях сопровождается большим числом нагревов и переходов или требует использования уникального и дорогостоящего оборудования большой мощности.

Снижение напряжения течения и, следовательно, усилия деформирования при изотермической штамповке является также следствием применения, эффективной стеклянной смазки. При изотермическом деформировании стеклосмазка постоянно находится в расплавленном состоянии, образуя тонкий разделительный слой между штампуемым металлом и инструментом. Коэффициент контактного трения при использовании стеклосмазки составляет 0,04 – 0,06.

Значительное уменьшение трения и однородность температурного поля заготовки повышают равномерность деформации. Поскольку усилие и работа деформации в изотермических условиях снижаются, уменьшается и количество выделенной в результате деформации теплоты, которая вследствие однородности деформации распределяется в объеме заготовок достаточно равномерно. Это особенно важно при деформации новых материалов, структура и свойства которых в большой степени зависят от температуры (например, титановых сплавов, металлокерамик).

Равномерная деформация заготовки при отсутствии зон затрудненной деформации и локального перегрева из-за теплового эффекта, как правило, обеспечивает хорошую структуру, высокие прочностные и пластические характеристики металла и уменьшает разброс свойств в объеме заготовки. Отсутствие подстывания заготовки и уменьшение сопротивления деформированию штампуемого металла позволяют снизить температуру деформирования по сравнению с обычными условиями и штамповать при температуре, близкой к нижнему пределу температурного интервала для конкретного сплава.

В изотермических условиях можно штамповать сложные заготовки повышенной точности, получение которых обычной штамповкой затруднено или невозможно. Точность поковок, отштампованных в изотермических условиях, значительно повышается в результате уменьшения упругих деформаций системы пресс-штамп, колебаний температуры деформации, остаточных напряжений в объеме штампованной поковки, глубины дефектного слоя и улучшения качества поверхности поковки.

В изотермических условиях штампуют заготовки с небольшими штамповочными уклонами или без них, с резкими перепадами сечений, малыми радиусами переходов и припусками на обработку резанием. В результате достигают значительной экономии металла и снижения трудоемкости изготовления детали.

При изотермическом деформировании заготовки сложной конфигурации можно штамповать за меньшее число переходов. Стойкость инструмента, работающего в условиях статического нагружения, невысоких давлений и отсутствия знакопеременных тепловых напряжений, повышается. В изотермических условиях тепловыделение на контактной поверхности между движущимся металлом и штампом сравнительно невелико, что также улучшает работоспособность инструмента.

Преимуществом изотермического деформирования является повышение пластичности обрабатываемого металла, что связано с более полным протеканием разупрочняющих процессов, "залечиванием" микротрещин при пониженных скоростях деформации. Открываются большие возможности для деформирования новых материалов, являющихся, как правило хрупкими и мaлoплacтичными. Например, осадкой заготовки из стеллита без смазки при температуре 900 ° Си скорости деформации деформировали на 60 %. Заготовки при этом не разрушались. При той же температуре и скорости деформации образец из серого чугуна деформировали на 53 %; трещин на его боковой поверхности не появилось, хотя этот чугун является хрупким материалом при динамическом характере нагружения. С такой же ровной чистой поверхностью получали прутки из серого чугуна выдавливанием без противодавления и смазки. При этом температура деформации была равна 900 ⁰С, вытяжка – 25, скорость деформирования 0,1…2,5 мм/с.

Деформирующая оснастка для ИД – изотермические блоки газового, индукционного нагрева и нагрева сопротивлением.

Условия работы штампового инструмента для изотермической штамповки принципиально отличны от традиционных условий эксплуатации штампов для молотов, кривошипных и винтовых прессов. Основное отличие состоит в высокой, достигающей 1000 ⁰С и более, рабочей температуры нагрева штампа. Небольшие скорости деформирования (как правило, до 2 мм/с) и часто применяемые выдержки под усилием деформирования в конце рабочего хода на 2…3 порядка увеличивают время нагружения штампа, что в сочетании с высокой температурой нагрева может приводить к пластической деформации инструмента. В то же время отсутствуют резкие тепловые колебания поверхностных слоев, что предотвращает появление разгарных трещин и позволяет многократно восстанавливать ручей штампа. Статический характер приложения деформирующей нагрузки не вызывает поломок штампов. Применяемые при изотермической штамповке эффективные защитно-смазо-чные покрытия резко уменьшают абразивное изнашивание ручья штампа.

Габаритные размеры штампов должны соответствовать посадочным местам нагревательного блока установки для ИД. Специфика процесса ИД сказывается на конструкции штамповой оснастки. Нагрев штамповых вставок и примыкающих к ним деталей до высокой температуры затрудняет жесткое закрепление инструмента в штамповом блоке. Поэтому направляющие элементы целесообразно выполнять непосредственно в штамповых вставках.

Размеры заусенечной канавки при изотермическом деформировании не имеют большого значения. При обычной штамповке заусенец создает сопротивление вытекающему металлу и способствует заполнению ручья. В изотермических условиях заусенец не оказывает существенного влияния на заполнение ручья, так как он не остывает, а трение в зоне заусенечного мостика при применении стеклянной смазки мало.

Основным показателем работоспособности штампового материала при изотермической штамповке является отношение предела текучести материала штампа к напряжению течения деформируемого сплава при температуре деформации. Если это отношение больше трех, то даже при изготовлении поковок сложных форм обеспечивается высокая стойкость штампа.

Для изготовления штампов, применяемых при ИД, используют литейные и деформируемые жаропрочные сплавы нового поколения, а также теплостойкие инструментальные стали. При конструировании штампового инструмента для изотермической штамповки необходимо учитывать усадку, т.е. изменение размеров ручья штампа, компенсирующее уменьшение размеров поковки при ее остывании. Следует иметь в виду, что основные факторы, влияющие на усадку при обычной штамповке (в холодном или незначительно подогретом инструменте) и изотермической штамповке, когда температуры инструмента и обрабатываемой поковки практически одинаковы, различны. В первом случае величина усадки, главным образом, зависит от разности температур штампа и штампуемой детали, а во втором – от разности коэффициентов линейного расширения материалов штампа и заготовки. В первом случае усадка положительна, а во втором – а) может быть положительной при коэффициенте линейного расширения материала обрабатываемой заготовки, большем, чем у материала штампа; б) не учитываться при равенстве или близости величин этих коэффициентов; в) может быть отрицательной при коэффициенте линейного расширения штампа, большем, чем у заготовки.

Проектирование технологических процессов изотермической штамповки.

Особенности ИД определяют область его применения, которая ограничивается следующими технологическими процессами:

· деформирование малопластичных и хрупких существующих и новых материалов, практически не поддающихся обработке давлением в обычных условиях.

· штамповка заготовок с элементами небольшой толщины (высокие и узкие ребра, тонкие полотна), которые в обычных условиях можно получать только с большими напусками;

· штамповка поковок повышенной точности, особенно длядеталей из дорогостоящих металлов;

· штамповка поковок крупногабаритных деталей, для деформирования которых в обычных условиях отсутствует оборудование соответствующей мощности;

· штамповка поковок для изделий, к качеству и надежности которых предъявляют повышенные требования;

Высокая точность штампованных полуфабрикатов достигается на заключительных формообразующих операциях (окончательная штамповка, правка, калибровка), вьполняемых в изотермических условиях. Формообразование заготовок для штамповки можно проводить как в изотермических, так и в обычных условиях. В ряде случаев эффективно использование предварительных заготовок, полученных литьем, порошковой металлургией, с помощью сварки.

Для определения усилия деформированиянеобходимо установить зависимость напряжениятечения штампуемого сплава от скорости деформации. Эту зависимость для ИД принято аппроксимировать формулами

, ,

 

где и – первоначальная скорость деформации и соответствующее ей напряжение течения.

Усилие штамповки определяют по формуле

 

,

где – площадь поковки в плане;

V – скорость деформирования;

В – масштабный коэффициент с размерностью длины;

– коэффициент, зависящий от вида операции и длины поковки.

При осадке круглых заготовок

 

где D и H – диаметр и высота заготовки;

удлиненных поковок

 

где b – ширина заготовки;

При прямом выдавливании сплошных изделий

 

 

где D – диаметр контейнера;

– вытяжка;

при обратном выдавливании стаканов

 

 

при облойной штамповке

 

 

где b и l – ширина и длина поковки;

h_з – высота облойного мостика;

при безоблойной штамповке

 

где ; r – радиус закругления угловых элементов поковки.

При штамповке на кривошипных прессах скорость деформирования , соответствующая максимальному усилию штамповки, определяется по формуле

 

где R – радиус кривошипа;

n₀ – число ходов в минуту;

– угол поворота кривошипа, соответствующий максимальному усилию;

– отношение длины кривошипа к длине шатуна.

При осадке, облойной и безоблойной штамповке

 

 

а усилие определяется по расчетному радиусу закругления поковки

 

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение сверхпластичности металлов.

2. Каковы условия возникновения сверхпластичности материалов?

3. Каковы признаки сверхпластического поведения материалов?

4. Где используется сверхпластичность металлов?

5. Каковы преимущества сверхпластичности металлов?

6. Каковы недостатки сверхпластического деформирования металлов?

7. Что такое сверхпластическая формовка?

8. Принципы построения технологического процесса сверхпластической формовки листовых заготовок.

9. Способы борьбы с разнотолщинностью оболочек при сверхпластической формовке.

10. В чем суть изотермического деформирования металлов?

11. Что такое штамповые блоки изотермического нагрева металлов?

12. Что такое штамповка на термоупругих прессах?