автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Научное обоснование выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов и покрытий для горячей штамповки на прессах

На правах рукописи

Петров Александр Николаевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОЛЛОИДНО-ГРАФИТОВЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ НА ПРЕССАХ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

005531617

18 ИЮЛ 2013

Москва 2013

005531617

Работа выполнена в «Научно-исследовательском институте технологии и организации производства двигателей «НИИД» ФГУП «НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ», г. Москва

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Сосенушкин Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: Демин Виктор Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, советник ректора ФГБОУ ВПО «МГИУ»;

Володин Игорь Михайлович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Механика пластических деформаций» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»;

Овчинников Анатолий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, каф. МТ-6 МГТУ им. Н. Э. Баумана

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный политехнический университет» (Национальный исследовательский университет) г. Санкт-Петербург

Защита состоится « 24 » сентября 2013 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, ГСП, просп. Ленина, д.92 (9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « 12 » июля 2013 г.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. Важнейшей задачей современной промышленности является создание инновационных ресурсосберегающих технологий, повышение производительности труда и качества продукции. Заготовительное (кузнечно-штамповочное) производство, являясь основой любого машиностроительного предприятия, относится к числу высокоэффективных, экономичных способов изготовления металлических изделий. В условиях модернизации отечественного машиностроения и, в частности, обновления кузнечно-штамповочного производства технологическое развитие промышленности на основе создания и внедрения ресурсосберегающих, экологически безопасных промышленных технологий обеспечит производство конкурентоспособной наукоемкой продукции.

Горячая объемная штамповка (ГОШ) позволяет получать заготовки, близкие по форме и размерам к готовой продукции. Экономия материалов и энергетических ресурсов зависит от технического уровня оснащения и, как следствие, от реализуемых технологических процессов, в том числе ГОШ. Эффективность технологических процессов горячего деформирования в значительной степени зависит от правильного выбора технологических смазочных материалов.

Для развития кузнечно-штамповочного производства в России изыскание эффективных смазочных материалов и создание новых составов для процессов горячего деформирования металлов и сплавов является одним из приоритетных направлений.

Коллоидно-графитовые смазочные материалы нашли применение в кузнечно-штамповочном производстве на автоматизированных линиях для горячей штамповки автомобильных деталей в условиях серийного производства и на универсальных прессах при штамповке поковок общемашиностроительного назначения мелкими сериями. Внедрение коллоидно-графитовых смазочных материалов требует широких промышленных испытаний, что связано с большими материальными затратами на смазочные материалы и эксперименты в условиях действующего производства. Смазочный материал должен обеспечивать стабильную работу линии (участка), обладать высокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, обеспечивающими высокую стойкость штампов, снижать уровень брака, себестоимость продукции и улучшать экологическую среду. Существующие методы исследования смазочных материалов (прямые и косвенные) не позволяют создать условия процесса горячего деформирования или не учитывают свойства смазочной композиции, которая может вести себя неоднозначно при повышенных температурах.

Решение проблемы выбора эффективного состава смазочного материала носит системный характер и охватывает анализ физико-химических и технологических свойств материала и установление влияния этих свойств на стойкость штампов в процессе горячего деформирования. Выбор эффективного смазочного материала на основе комплексного исследования его

свойств решает технологическую проблему в масштабах страны. Актуальность и этапы решения этой проблемы на протяжении многих лет отражались в государственных программах развития народного хозяйства.

В диссертационной работе поставлена и решена актуальная проблема обоснования выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов для процессов горячего деформирования сталей и сплавов на прессах.

Работа выполнялась в рамках государственных программ и при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ: государственная программа работ по решению научно-технической проблемы 0.03.02 (Новые экологически чистые смазочные материалы для процессов горячей обработки металлов давлением) от 12.12.1980 г.; государственная программа «Экологическая безопасность России» от 28.12.1992 г.; программа работ по совершенствованию технологических процессов горячего деформирования заготовок ГТД от 2000 г.; основы политики РФ в области развития науки и технологии на период до 2010 года и дальнейшую перспективу, утвержденные Президентом РФ 30.03.2002 г.; программа "Национальная технологическая база" на 2007-2011 годы от 29.01.2007 г.; развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на период до 2015 г.

Цель работы - повышение эффективности технологических процессов горячей объемной штамповки путем научно обоснованного выбора состава коллоидно-графитовых смазочных материалов с учетом их технологических свойств при температуре штамповки и, на этой базе, прогнозирование стойкости штампов. Задачи исследований:

1. Теоретически и экспериментально исследовать параметры контактного трения при осадке кольцевых образцов в условиях горячей деформации с учетом температуры нагрева образцов, температуры подогрева штампа, температурно-скоростных зависимостей сопротивления металла деформированию, скоростных характеристик кузнечно-прессового оборудования и теп-лофизических констант металла образца и материала штампа. Выявить влияние перечисленных технологических параметров на значение коэффициента трения; построить графики для определения коэффициента трения и сопоставить результаты.

2. Установить влияние физико-химических свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной и масляной основах и коллоидно-графитовых теплозащитных покрытий на интенсивность изменения состава и массы смазочной композиции от температуры.

3. Исследовать экспериментально в промышленных условиях коллоидно-графитовые смазочные материалы на автоматизированных линиях горячей штамповки автомобильных деталей и выявить зависимость стойкости штампов от величины контактного трения, степени сложности поковок и их массы.

4. Разработать научно обоснованную методику и алгоритм выбора коллоидно-графитового смазочного материала для использования в производстве для технологических процессов горячей штамповки на прессах.

Объект исследования.

Технологические процессы горячей объемной штамповки на прессах сталей и сплавов. Предмет исследования.

Коллоидно-графитовые смазочные материалы и покрытия для горячей штамповки сталей и сплавов на прессах.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований на основе системного подхода, включающий анализ и экспериментальную проверку полученных результатов в лабораторных и промышленных условиях. Задача по осадке кольцевых образцов с учетом изменения сопротивления деформированию и температурных условий на контакте решена методом баланса мощности. Экспериментальные исследования проведены на механических прессах и электровинтовых прессах в лабораторных и производственных условиях с использованием современных средств контроля температуры и энергосиловых параметров. Полученные результаты расчета сравнивали с результатами эксперимента для одних и тех же исходных данных. Относительная ошибка расчетной стойкости штампов составляет 12... 13 %. Средний разброс стойкости штампов в реальных производственных условиях составляет 20...30 %. Автор защищает:

1. Алгоритм и решение задачи осадки кольцевых образцов, учитывающие изменения сопротивления деформированию в зависимости от температурного фактора для исследования влияния технологических параметров на величину коэффициента трения в условиях горячего деформирования.

2. Закономерность влияния температуры на интенсивность изменения свойств, состава и массы смазочного материала в процессе горячего деформирования.

3. Зависимость стойкости штампов от массы поковки, сложности формы поковки и величины контактного трения.

4. Научно обоснованные методику и алгоритм выбора коллоидно-графитового смазочного материала, включающие комплексную оценку свойств смазочных материалов и температурно-скоростные условия деформирования.

5. Рекомендации по применению имеющихся и вновь разработанных коллоидно-графитовых смазочных материалов.

Научная новизна работы состоит в создании научно обоснованной методики и алгоритма выбора эффективных коллоидно-графитовых смазочных материалов и покрытий на основе комплексной оценки их свойств применительно к условиям горячей штамповки на прессах сталей и сплавов, включающих в себя:

1. Введение специфического для горячей штамповки понятия «универсальный коэффициент трения», отличающегося от понятия «коэффициент трения», определяемого известным методом осадки кольцевого образца, тем, что учитываются параметры процесса горячего деформирования: температура заготовки и штампа, сопротивление деформированию, скоростные пара-

метры оборудования и теплофизические константы материалов заготовки и штампа;

2. Экспериментально-аналитический метод определения универсального коэффициента трения в различных условиях горячего деформирования, учитывающий характер тепловых полей «заготовка - штамп», теплофизические константы материалов заготовок и штампов, а также динамические параметры процесса;

3. Закономерность влияния состава коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной и масляной основах, типа графита, способа его получения, дисперсности и температурно-скоростных режимов на стойкость штампов;

4. Основные соотношения для прогнозирования стойкости штампов автоматизированных горячештамповочных линий в производственных условиях на основе полученных экспериментальных зависимостей стойкости штампов от величин контактного трения, степени сложности форм поковок и их масс.

Практическая ценность работы:

- даны рекомендации по практическому применению методики в производственных условиях;

- созданы новые составы коллоидно-графитовых смазочных материалов и теплозащитных покрытий; даны рекомендации по их применению для штамповки различных сталей и сплавов при реализации технологических процессов горячего деформирования;

- разработан и внедрен новый технологический процесс изготовления компрессорных лопаток двигателя АЛ31-Ф в комплексе с созданным коллоидно-графитовым теплозащитным покрытием ОВТ-1.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в куз-нечно-штамповочных производствах различных предприятий: AMO «ЗИЛ». Штамповка автомобильных деталей - на автоматизированных горячештамповочных линиях; АО «ГПЗ-1». Полугорячая калибровка колец подшипников -на механических прессах; ММПП «Салют». Штамповка компрессорных лопаток газотурбинного двигателя - на электровинтовых прессах. Акты внедрения приведены в приложении диссертации.

Отдельные результаты использованы в учебном процессе на кафедре «Кузовостроение и обработка металлов давлением» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет «МАМИ» при подготовке студентов специальности 150201 Машины и технология обработки металлов давлением.

Личный вклад. Все результаты исследований, изложенные в диссертации, получены автором лично. Под руководством соискателя и при его непосредственном участии созданы новые коллоидно-графитовые смазочные материалы, проведены опытно-промышленные испытания и промышленное освоение новых коллоидно-графитовых смазочных материалов и теплозащитных покрытий на автоматизированных горячештамповочных и универсальных механических и электровинтовых прессах. Соискателем сформули-

рованы цели и задачи работы, разработаны программа исследований, методики экспериментов, матрица планирования промышленных экспериментов и выполнена математическая обработка и анализ результатов экспериментов, создана инструкция по применению коллоидно-графитовых смазочных материалов в производстве. Разработан и внедрен новый технологический процесс изготовления компрессорных лопаток двигателя АЛ31-Ф в комплексе с новым эффективным коллоидно-графитовым теплозащитным покрытием ОВТ-1.

Апробация работы. Результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ в рамках государственных программ и при финансовой поддержке Минобразования России. Результаты диссертационной работы опубликованы в журналах и сборниках, доложены и одобрены на семинарах, конференциях и симпозиумах, в том числе международных: Научно-технический семинар «Пути повышения стойкости штампов при горячей обработке металлов давлением». - Ленинград, ЛДНТП, 1984 г.; Научно-техническая конференция «Синтетические смазочные материалы», Венгрия, 12-14 сентября 1989 г.; Международная научно-техническая конференция ЕБАРОКМ, Италия, 2009 г.; Международная научно-техническая конференция ЕЗАРСЖМ, Ирландия, 2010 г.; научно-техническая конференция «145-летие МГТУ «МА-МИ», М. 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, среди них: 1 монография, 15 статей в рецензируемых журналах и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук»; 4 статьи в отечественных и международных научных сборниках трудов; получено 1 авторское свидетельство СССР и 3 патента РФ. Общий объем - 28 печ. л., авторский вклад — 25 печ. л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и основных выводов, библиографического списка, включающего 210 наименований и приложений. Работа изложена на 288 листах машинописного текста, содержит 114 рисунков и 87 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой в работе проблемы, сформулированы тема диссертации, научная новизна и практическая значимость, перечислены основные полученные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе дается анализ существующего состояния проблемы по коллоидно-графитовым смазочным материалам и стойкости штампов и определены цели и задачи работы.

Анализ литературных источников и производственных данных показывает, что технологические смазочные материалы для штампов играют важную роль в процессах горячей штамповки. Особенно эффективны коллоидно-

графитовые смазочные материалы на водной и масляной основах. В настоящее время известно немало исследований различных смазочных материалов, в том числе и коллоидно-графитовых материалов. Однако отсутствуют обоснованные рекомендации по их применению, нет их комплексной оценки.

Наиболее простой метод исследования технологических свойств смазочных материалов из всех известных методов, разработанных С.И. Губкиным, И.М. Павловым, С.Н. Петровым, И.Я. Тарновским, - это метод осадки кольцевого образца, разработанный А.Т. Мэйлом в 1964 году. Определение коэффициента трения методом осадки кольцевых образцов дает хорошие результаты сходимости для холодной деформации, но в реальных условиях горячей деформации численные значения коэффициента трения завышены. Существуют и разрабатываются и другие методы определения технологических свойств смазочных материалов, в числе которых авторские разработки A.A. Богатова, И.М. Володина, В.Н. Залесского, Б.С. Каргина, А.Н. Леванова, Е.М. Макушка. Контактное трение существенно влияет на износ штампов. Определением величины контактного трения занимались А.Н. Леванов, И.М. Володин, А.И. Володин. Ими созданы установки для определения значений коэффициента трения для различных условий деформирования. Я.М. Охрименко отмечает, что резервом повышения стойкости тяжелонагруженных штампов при горячей штамповке является изменение условий работы инструмента и прежде всего снижение теплового воздействия на него применением смазочных материалов, способствующих уменьшению коэффициента трения, удельных сил при деформировании и снижении теплопередачи от заготовки к штампу. М.В. Сторожев к числу мероприятий, обеспечивающих повышение стойкости штампов, относит подбор наилучшего состава смазочно-охлаждающих материалов и усовершенствование средств их нанесения. По данным заводов, использование коллоидно-графитовых смазочных материалов позволяет повысить стойкость штампов на 15 % и более. Прогнозированию стойкости штампов полугорячей объемной штамповки посвящены работы В.Д. Ильина, В.Н. Петрова, Б.М. Поздне-ева, E.H. Сосенушкина; прогнозированию стойкости штампов горячей штамповки - Л.Б. Аксенова, Е.И. Вельского, Л.Д. Демидова, С.А. Довнара, Е.М. Макушка, В.Н. Перетятько, В.П. Северденко, Л.Г. Степанского, М.А. Тылкина, Б.Ф. Трахтенберга, В.И. Фатеева, П. Д. Чудакова.

Известные эмпирические формулы прогнозирования стойкости штампов не учитывают комплексного влияния различных параметров на процесс горячего деформирования: массы поковки, сложности формы поковки, трения на контактной поверхности, температуры штампа и заготовки. На основании критического анализа состояния проблемы сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приводится алгоритм и решение задачи по осадке кольцевых образцов в условиях горячего деформирования для исследования влияния технологических параметров на величину контактного трения и определения коэффициента трения.

А.Т. Мэйл и другие ученые решили эту задачу методом работ, определив положение границы раздела течения г0 из условия минимума полной мощности (или работы) деформации; при этом под коэффициентом трения понималось отношение касательных напряжений к пределу текучести деформируемого металла. Диаграммы, построенные А.Т. Мэйлом и др. можно использовать для определения коэффициента трения при холодной деформации, слабо упрочняющегося металла, реологическое поведение которого можно достаточно точно описать схемой идеально пластического материала. Для нагретого металла, реологической схемой которого является вязкопла-стический и вязкопластический упрочняемый материал, при построении диаграмм необходимо учитывать зависимость сопротивления деформированию от скорости деформации. В процессе горячей штамповки наблюдается резко неоднородное температурное поле в деформируемом образце, в то время как основной объем металла сохраняет или почти сохраняет исходную температуру нагрева заготовки. Поверхностный слой, контактирующий с холодным штампом, существенно охлаждается, и его сопротивление деформированию увеличивается. Контактные касательные напряжения даже при малых значениях коэффициента трения резко возрастают.

Получить действительные значения коэффициента контактного трения при горячей деформации с помощью расчетных диаграмм можно, если учесть фактическое изменение температуры контактной поверхности и связанные с этим изменения положения границы раздела течения. При расчете температуры контактной поверхности заготовки и штампа приняты следующие допущения:

1. Штампы и заготовка считаются полубесконечными телами, решается линейная тепловая задача. Расчеты показывают, что глубина слоя, в котором наблюдается заметное изменение температуры за время осадки кольцевого образца, намного меньше высоты самого образца и тем более толщины деталей штампа;

2. Теплопередача от заготовки к штампу учитывается только в процессе активного контакта, т.е. при осадке.

(При проведении экспериментов следили за тем, чтобы размеры верхнего и нижнего торцов осаженного образца существенно не отличались, что свидетельствовало об отсутствии влияния охлаждения нижнего торца образца до включения пресса на его формоизменение).

Определение температуры контактной поверхности заготовки при осадке с учетом трения возможно путем решения задачи о нахождении температуры полубесконечного тела при действии на его поверхности теплового источника - тепловыделения от трения (тепловая задача второго рода). Методика определения границы раздела течения г0 заключается в том, что, варьируя радиус границы го с определенным шагом, находим полную мощность деформации, а затем определяем г0 , соответствующий минимуму полной мощности. Для нахождения мощности трения необходимо знать сопротивление металла деформированию при температуре, которую металл имеет на контактной поверхности, т.е. предварительно нужно вычислить эту темпера-

туру, которая, в свою очередь, зависит от тепловыделения при трении, т.е. от сопротивления металла деформированию на контактной поверхности. Поэтому для определения указанных величин применяем метод последовательных приближений.

Расчет температуры поверхности заготовки Т, и радиуса внутренней поверхности при осадке кольцевого образца выполняется поэтапно в соответствии с алгоритмом (рис. 1).

( Начало ) /1-2 Задаем д ¿ty

3-6 Вычисляем Н, т; I'/-

X

7-8 Задаем г<> Ар/

9-10 Вычисляем р, Ц,

11 Задаем Тк

12*15 Вычисляем

д*«»» тки ткс

1

20-22 Вычисляем Nf. N^ и N

/ 23-24 /граница раздела \ течения \ металла

пл. 9-23

25 Вычисляем г и R

Рис. 1. Алгоритм расчета температуры поверхности заготовки и радиуса внутренней поверхности при осадке кольцевого образца

В соответствии с алгоритмом расчет выполняется в следующем порядке:

1. ц - коэффициент трения.

2. АН - шаг по высоте образца.

3. Н = Но- ДЯ(р-1) - текущая высота образца.

4. т = -Ю-у/2 Цн0-Нк - д/Я - Нк) - время от начала осадки до

конца этапа.

5-6. V = 0,1иоЛк(1+Х)

- текущая скорость дефор-

мирования; е= V/H- средняя скорость деформации.

7. го - радиус границы раздела течения.

8. Ар - шаг расчета по радиусу образца.

9. р = г + Ар (к-1) - текущее значение радиуса.

1 • г2

10. t/p = — £;• р(1--у)- радиальная скорость перемещения металла.

2 р

т +т

ц 7* = -т. . температура на контактной поверхности заготовки

и штампа.

12- °Ыонт = СТ0

ехр[т(Г0 - Г)] - сопротивление металла деформиро-

Чь,0 У

ванию на контактной поверхности, где Сто - сопротивление деформированию

металла при скорости деформации е,0 и температуре 7о; п - коэффициент, учитывающий влияние скорости деформации на сопротивление деформированию.

13. Тк = Т- температура на контактной поверхности.

14. Расчетная температура на контактной поверхности (без учета прослойки окалины и смазки), возникающая при соприкосновении заготовки со штампом с учетом тепловыделения от трения:

"2 (Я0-Я,)~

. 4,0+Ь)

С / N

н,

+ ^ загТ за! Vй»

где 50 = 2р (1+г02/р2); Хш, Хзаг - теплопроводности материала штампа и заготовки; ош, азаг - температуропроводности материала штампа и заготовки.

2

15. Т = Тс + (Гзаг - Тс)ег/ —, - уточненная температура заготовки на

Чазагх

контактной поверхности.

16. Т и Тк - сравнение значений.

17. р и с,- - для данного р.

18. р - новое значение текущего радиуса и повторяем расчета п. 10-18 до тех пор, пока р < Л.

í • V

19. стт =СТ0

схр[т(Г0 - Тшр)] - сопротивление металла деформиро-

ванию вдали от контактной поверхности.

л+1

20. Ы, = 2пНот 8, |

4 Л

1 +

. Зр4

рф- мощность пластической деформа-

ции.

Лр .

21. Л^ = 4тс ^ ¿Ур • р • аЫонт ■ рк ■ </р - мощность контактного трения.

к=о

22. N = Щ + - полная мощность деформации.

23. Вычисляем новое значение радиуса границы раздела течения и повторяем расчет п. 8-22.

24. Запоминаем значение г0, соответствующее минимальному значению полной мощности деформации. _

25 = 1гЛя0-АЯ(р-1)]-г02АЯ. = Я2Н[Н0 - АЯ(р-1)]-г^АН -Г V ' V Н0-АНр

внутренний и наружный радиусы образца в конце этапа осадки.

26. Повторяем расчет п. 3-24 для следующего этапа осадки пока Н<НК.

27. Расчет повторяем для нового значения коэффициента трения по алгоритму (рис. 2).

о

26

пока Н<НК

пп. 3-25

у/27 Задаем м/

повторяем весь расчет пп. 1-27

I

Q Конец

Рис.2. Расчет для нового значения коэффициента трения Расчет выполнен для следующих исходных данных: и0=75 мин1, 36 мин1; R«= 0,05 м, 0,25 м; ¿.=0,0714, 0,172; Ттт = 1150,1200 °С; Т^ = 100,200,300 °С;

Сто = 18,5 МПа (углеродистая сталь 40, 50,40Х) и

с0 =14,7 МПа при £,„= 5xlO"V и Т0 =1150 и 1200 °С; и =0,16;

Хш = 37 вт/м х К;

Хзаг =29вт/м х К и 30 вт/м х К для стали 40; аш = 6x10"6 м2/с; aw = 5,3x10"6 м2/с (сталь 40); Z =0,0001 м; m = 3,5 х Ю^КГ1

Полученные графики зависимости ц =/[г, И) для температур 100, 200 и 300 °С преобразовали в один график ц =J{r, Тшг.) для температуры штампов

ТШт= ЮО, 200 и 300 °С (рис.3). Экспериментальные исследования выполнены на кольцевых образцах из углеродистой стали (сталь 40). Размеры образцов: Б х с! х #=40x20x14 мм. Кольцевые образцы осаживали на механическом прессе при тех же температурах заготовки и штампа, что в расчете с использованием коллоидно-графитовых смазочных материалов АГ-4 и ОГВ-75.

7,800 /, /ьи

7,700 7,650 7,600 _ 7,550 I 7,500 ^ 7,450 & 7,400

5 7,350

6 7,300 Я 7,250 | 7,700 Э 7,150

I 7"10°

7,050 7,000 6,950 6,900 6,850 6,800

0,21 0,22 0,23 0.24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,3 0,

Коэффициент трения, // Рис. 3. График ц=/(г,Тшт.) для 7Ш„, = 100, 200 и 300°С

На рис.4 приведены результаты эксперимента. На рис.5 сопоставлены результаты расчета и эксперимента. Исследования влияния температуры заготовки, температуры штампа и скоростных параметров кузнечно-прессового оборудования на величину контактного трения показывают, что существенное влияние на величину контактного трения оказывают температуры заготовки и штампа. При повышении температуры штампа на 200 °С (Тшт.=300 °С) и увеличении температуры заготовки на 50 °С (Тзаг=1200 °С) величина контактного трения при этом возрастает в 2 раза. Средняя погрешность расчетного и экспериментального значений внутреннего диаметра кольца составляет 0,4 %. Расчетные значения коэффициента трения ц в 1,2 раза ниже расчетных значений [1 по Мэйлу.

i к,»

i 11.5

- 0.4 и

[0,35

* 144* --1-i-г...... Е-"

В

e

5 1425

0,15

Экящшмсет Mtfft I-1WC T-2M°C T«100*C T-200X Мэйл

Гмащчнмц Mliqiin.ll.i Смазочные материалы

Рис. 4. Результаты эксперимента по осадке кольцевых образцах из углеродистой стали 40: а - значения внутреннего диаметра кольцевого образца для ОГВ-75 и АГ-4, б- значения коэффициента трения для ОГВ-75 и АГ-4

0,34 0,33 0,32 Л 0,31 ос 0,3 X 0.29 g 0,28 £ 0,27 g 0,26 = 0.25 = 0.24

Ж °'23

S 0,22 a o.2i 0,2

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Температура, °С

Рис. 5. Сравнительные результаты расчета и эксперимента В третьей главе приводятся результаты исследования физико-химических свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной и масляной основах и теплозащитных покрытий.

В основе методики исследования физико-химических свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной и масляной основах заложены исследования влияния температуры на изменение состава смазочной композиции. Учитывая эти изменения, можно оценить ожидаемые численные значения величины контактного трения. Исследованы коллоидно-графитовые композиции на водной и масляной основах, содержащие различные ингредиенты. Установлено, что состав смазочной композиции влияет на технологические свойства и, как следствие, на качество поковок и стойкость штампо-вого инструмента.

На основе экспериментальных исследований построены графики зависимости изменения состава коллоидно-графитовых материалов от температуры. На рис. 6 показано изменение свойств смазочных материалов на водной основе различной дисперсности при температурах нагрева до 500 °С:

АГ-4 ная.

- мелкодисперсная; АГ-5 - среднедисперсная и ТВ-6 - крупнодисперс-

110 100 90 80 70 60 50

Л1 ■4 V). чк 0 Я 0, 77 _

О А 9

, 2

ДГ / 1

7 1, 7"

ТВ -<

8 8

250 300 350 А 00 Температура, °С

Размеры частиц графита, мкм

Рис. 6. График потери массы смазочного материала с различной дисперсностью графита при нагреве до 500 °С Таблица 1

№ Состав смазочного материала АГ-4* (а.с. 1077923) ОГВ-75 (а.с.604329)

1 Графит Дисперсность до 5мкм.,% Массовая доля сухого остатка,% Термографит 95 17,0 Окисленный 97 18,0

2 Гидроксид щелочного металла V -

3 Смесь натриевых солей V -

4 Соли лигносульфоновых кислот V V

5 Триэтаноламин - V

6 Гидрат окиси аммония - V

Таблица 2 - Составы смазочных материалов АГ-5 и АСВ

№ Состав смазочного материала АГ-5* (а.с.1558961) АСВ* (пат. 2224011)

1 Графит Дисперсность до 5мкм Массовая доля сухого остатка,% Термографит 72 25,0 Термографит 66 30,0

2 Гидроксид щелочного металла V -

3 Смесь натриевых солей V -

4 Соли лигносульфоновых кислот V V

5 Фосфат щелочного металла V V

6 Карбонат щелочного металла V V

7 Оксид металла - V

8 Соль кремниевой кислоты - V

9 Карбоксилметилцеллюлоза - V

10 Алкилфенол - V

• АГ-4, АГ-5, АСВ - разработаны автором

Выше приведены табл. 1 и 2, где представлены составы смазочных материалов АГ-4, ОГВ-75, АГ-5 и АСВ. Состав смазочного материала ТВ-6: термографит (дисперсность до 5мкм) - 38 %; дисульфид молибдена; соли лигносульфоновых кислот; смесь натриевых солей; эфир целлюлозы; соль кремниевой кислоты.

На рис. 7 приведены графики потери масс коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной основе, имеющих разные состав композиции, дисперсность графита и технологию получения коллоидного графита, при температурах нагрева до 650 °С.

zoo 300 toe 500 600 7£Ю 200 250 30U 350 -KU) -15« 5(4» 550 600 651) 70Ü

Температуру *C Теммрлпря °C

Рис. 7. Графики потери масс смазочных материалов различного состава при нагреве до 650 °С Рис. 8 иллюстрирует влияние исходного графита, технологии получения коллоидного материала и дисперсности на стойкость штампов.

Оюгсленный природный мслхошкперсный графят

Рис. 8. Влияние исходного сырья -графита на стойкость штампов

ОГВ-75 АГ-4 ГФП

Смазочный материал

Рис. 9. Исследование коллоидно -

графитовых смазочных материалов на масляной основе (*СТ-26 (пат.2232797) -разработан автором)

400 450 500 IV м игjj.i v . "-'(

Исследованы различные композиции коллоидно-графитовых смазочных материалов на масляной основе и на основе полученных результатов построены графики потери массы от температуры до 500 °С. (рис. 9). Состав

МС-23: масло цилиндровое - 30 %; коллоидный графит Cl с дисперсностью до 5мкм - 28,25 %; термостойкие пленкообразующие присадки. Состав СТ-26*: синтетическое масло - 20 %; коллоидный графит С2 с дисперсностью до 5мкм - 10,24 %; термостойкий металлический пигмент.

Исследованы свойства теплозащитных коллоидно-графитовых покрытий для высокоуглеродистых сталей и никелевых сплавов (рис. 10).

Исходя из требований технологического процесса покрытия могут отличаться функционально друг от друга. Общее требование к исследованным покрытиям, это хорошая адгезия с холодной (или подогретой до 150 °С) заготовкой и хорошая термостойкость при температурах 700 и 1110 °С соответственно.

В табл. 3 представлены составы покрытий АСВ и ОВТ-1*.

зш зш

а ззди

' щщ

Ï

11*»

iy» »¿а

а б

Рис. 10. Графики потери массы теплозащитных покрытий АСВ и ОВТ-1 при нагреве до 700°С (а) и до 1000°С (б) (*АСВ и ОВТ-1 - разработаны автором)

Таблица 3 - Составы покрытий АСВ и ОВТ-1*

№ Состав покрытия АСВ* ОВТ-1*

(пат. 2224011) (пат.2224008)

1 Графит Термографит Термографит

Дисперсность до 5мкм., % 66 60

Массовая доля сухого остатка,% 30,0 20,0

2 Соли лигносульфоновых кислот V -

3 Фосфат щелочного металла V -

4 Карбонат щелочного металла V -

5 Оксид металла V V

6 Соль кремниевой кислоты V -

7 Карбоксилметилцеллюлоза V -

8 Алкилфенол V V

9 Алюмосиликат - V

10 Полигидрооксисоединение - V

Коллоидно-графитовое покрытие АСВ разработано для процесса полугорячей калибровки колец из высокоуглеродистых сталей. Покрытие сравнивали с базовым покрытием ГПЗ-1. На рис. 11 приведены результаты исследований различных составов покрытий на образцах 1, 4, 7, 9.

30

5 и

д

1 20 к

а ф

О 15 С

10

♦ 1 «4 Х7 >'9 0 Л 9

7

400 500 6

Температура,0«:

Рис. 11. Графики потери массы покрытий в зависимости от температуры

образцов 1,4,7,9,0 Таблица 4

_Составы покрытий, испытанных на образцах 1,4,7,9,0_

Образец 1 Термографит - 25 % Мел

Гидроксид щелочного металла Соли лигносульфоновых кислот Алкилфенол - 0.02 %

Образец 7 Термографит - 25 % Гидроксид щелочного металла Мел

Соли лигносульфоновых кислот Алкилфенол - 0,5 %

Образец 4 Термографит - 30 % Оксид металла Карбоскилметилцеллюлоза

Образец 9 Термографит - 15 % Дисперсность до 15мкм Оксид металла Карбоскилметилцеллюлоза Карбонат натрия Алкилфенол Фосфат натрия Силикат натрия

Образец 0 (базовый ГПЗ-1): графит серебристый - 37 %; дисперсность — 400 мкм; мел - 13 %; мыло олеиновое - 13 %

Образец 9 был выбран как наиболее близкий по технологическим свойствам к базовому покрытию ГПЗ-1 (на графиках обозначен: образец 0). Впоследствии образец 9 получил торговую марку АСВ.

Коллоидно-графитовое покрытие ОВТ-1 разработано и исследовано для нового технологического процесса штамповки поковок компрессорных лопаток газотурбинного двигателя. Покрытие ОВТ-1 разработано взамен хлористого бария ВаС12.

Исследования теплозащитных свойств покрытий проведены в производственных условиях на трубчатых образцах из никелевого сплава

ЭП718ИД. Образцы с покрытием нагревали в электропечи до температуры 1078 °С и затем охлаждали на воздухе в течение 5 с. На рис. 12 изображены результаты исследований.

шо

т -г-

йс* покрыта* ВИЛМ-1 00447» ОВТ-1 НаО?

ПшфЫШС

Рис.12. Исследование теплозащитных свойств покрытий при охлаждении с температуры 1078 °С в течение 5с В процессе нагрева заготовок из никелевого сплава происходит изменение поверхностного слоя, глубина которого зависит от состава покрытия. Исследования наличия и глубины измененного слоя на поверхности заготовки проводили в лабораторных и производственных условиях. Для получения сравнительных результатов отштамповали три компрессорных лопатки из никелевого сплава ЭП718ИД с покрытием ОВТ-1, с ВаСЦ и без покрытия (рис. 13).

I

т' '4

" ' - " ^РщК^^Щ;*"' '■^рЭННмНЯШИ?

а б в

Рис. 13. Образцы компрессорных лопаток из никелевого сплава ЭП718ИД, отштампованных: а - без покрытия, б - с ВаС12, в - с покрытием ОВТ-1

На рис. 14 изображен график зависимости глубины измененного слоя на поверхности лопаток после штамповки с различными покрытиями.

Покрытие

Рис. 14. Зависимость глубины измененного слоя от вида покрытия

В четвертой главе приведены результаты практического использования коллоидно-графитовых смазочных материалов применительно к различным деталям и материалам и условиям деформирования: горячая, полугорячая и изотермическая штамповка. Для установления влияния величины контактного трения на стойкость штампов проведены экспериментальные исследования в производственных условиях на автоматизированных горячештам-повочных линиях штамповки автомобильных деталей. Коэффициенты трения 1_1 при использовании смазочных материалов АГ-4 и ОГВ-75 определяли по графику (см рис. 3), которые составили 0,25 и 0,27 соответственно. Влияние массы поковок, изготавливаемых на автоматизированных линиях, на стойкость установили исходя из статистической обработки производственных данных:

С = 1(ХпГтт, (1)

где С — стойкость штампа, т - масса поковки, кг; К - параметр, зависящий от

Ц ил-

Сложность поковки математической модели оценивали величиной г|, представляющей собой отношение высоты поковки к ее среднегеометрической ширине. Относительная высота поковки: . Относительная глубина полости штампа: Ъмг/Н , где Н - наибольшая высота поковки, Ь и В -наибольшие длина и ширина поковки; /т> - максимальная глубина полости штампа. Уравнение регрессии математической модели имеет вид

К = А + ВХ + СУ + БХУ, (2)

где А - свободный член, равный отклику при Х=У=0; В и С - коэффициенты регрессии, показывающие степень влияния соответствующих факторов на выход процесса; О - коэффициент, указывающий на наличие эффекта взаимодействия двух факторов.

Для статистической обработки ввели безразмерные переменные:

х=

ц-0,26 0,01 '

Л-0,55 0,25

В табл. 5 приведены средние значения выборки Кср=

Значения К..,

И Л

0,3 0,8

0,27 5497 5772

0,25 5572 6422

Таблица 5

Получено уравнение регрессии:

К= 19369,5 - 49750 ц. - 16075т] + 57500 цг]. (3)

Показателями точности оценок коэффициентов и выходной величины К является соответствие дисперсий и Б?, значения которых зависят не

только от дисперсии ошибок наблюдения , но и от матрицы планирования экспериментов и вида математической модели. Проверка коэффициентов осуществлялась по ¿-критерию Стьюдента:

(4)

Вычисленное значение / сравнивали с табличным значением при заданном уровне значимости а (а = 0,05) и соответствующем числе степеней свободы. Все коэффициенты значимы. Проверка адекватности математической модели выполнена с помощью критерия Фишера:

2>:

(5)

Построенная модель позволяет прогнозировать выходные расчетные данные. Расчетная формула прогнозирования стойкости штампов имеет вид:

С = (19369,5 - 49750¡и - 160751] ■+ 5750Орц) (6)

В пятой главе приведены примеры практического применения методики на конкретных поковках и даны рекомендации выбора и использования коллоидно-графитовых смазочных материалов и покрытий. Пример выбора коллоидно-графитового смазочного материала для поковки вилки-фланца карданного вала (рис. 15) приведен в соответствии с алгоритмом выбора коллоидно-графитового смазочного материала на рис. 16.

Рис. 15. Вид поковки вилки-фланца карданного вала

Рис. 16. Алгоритм выбора смазочного материала

Этапы выбора смазочного материала:

выбор по физико-химическим свойствам: коллоидно-графитовая смазка АГ-4 (график потери массы при нагреве до 650 °С (рис. 17));

выбор по технологическим свойствам: коллоидно-графитовая смазка АГ-4 (см. табл. 6 и рис. 3).

Расчет (прогнозирование) стойкости штампов с учетом т, т| проводился по формуле (6). В табл. 7 и рис. 18 даны результаты расчета ожидаемой (прогнозируемой) стойкости штампов. Исходные данные для расчета: масса поковки т = 2,8 кг; сложность поковки т| = 0,30; коэффициент трения ц=0,22-Ю,26.

Таблица 6

Коэффициент трения ц для стали 40_

Марка Разбавление Гв„. мм., гвн.мм., расчет Ц

концентрата эксперим. Ъ = 7,09мм. Гшт., °С ДЛЯ Т шт., °С

200 300 200 300

АГ-4 1:5 7,42 7,489 7,406 0,22 0,26

АГ-5 1:5 7,385 7,371 7,360 0,24 0,28

АГ-4 1:10 7,272 7,265 7,270 0,26 0,30

ОГВ-75 1:10 7,205 7,171 7,211 0,28 0,30

Рис. 17. График потери массы смазочного материала при нагреве до 650 °С

Таблица 7

Расчет стойкости штампов _

т, кг Степень В степени 11 Л к С

0,22 7397,00 6999,84

2,8 -0,0536 0,9463 0,23 0,30 7072,00 6692,29

0,24 6747,00 6384,74

0,25 6422,00 6077,19

0,26 6097,00 5769,64

Коэффициент трения, ц

Рис. 19. График зависимости С = /(т,г\,\1)

Выбор средства нанесения смазочного материала.

Ожидаемую стойкость штампов можно получить путем стабилизации температуры штампа. Стойкость штампов и качество поковок - основные критерии оценки эффективности смазочных материалов и технологического процесса. В качестве средств нанесения коллоидно-графитовых смазочных материалов используют различные конструкции распылительных устройств: механизированные или автоматизированные. Степень концентрации, продолжительность и периодичность нанесения смазочных материалов на штампы определяется исходя из разработанных рекомендаций на основе выполненных экспериментальных исследований

Для конкретного примера выбора коллоидно-графитового смазочного материала (см. рис. 18) производственные испытания проводили на автоматизированной горячештамповочной линии на базе кривошипного пресса номинальной силой 20МН. Смазку АГ-4 наносили на штампы с помощью автоматизированного устройства. Время нанесения составляло 2-3 с. Степень разбавления концентрата—1:10. Среднестатистическая стойкость штампов по данным предприятия составляет 6000 поковок.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации изложено решение технологической проблемы обоснования выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов и покрытий для горячей штамповки сталей и сплавов на прессах на основе созданной научно-обоснованной методики. Методика включает комплексную оценку состава коллоидно-графитового смазочного материала и его технологических свойств при температуре штамповки; прогнозирование стойкости штампов и ожидаемое снижение себестоимости поковок. Разработанная методика дает возможность существенно сократить материальные затраты на смазочные материалы для промышленных испытаний; снизить время промышленных испытаний на освоение и внедрение нового или действующего технологического процесса (в случае замены смазочных материалов); выбрать коллоидно-графитовый смазочный материал, удовлетворяющий требованиям технологического процесса: стабильности (непрерывность) выполнения технологического процесса штамповки и геометрических параметров поковок, стойкости штампов, улучшения условий труда (отсутствие загазованности рабочего места вредными веществами); снизить себестоимость поковок и повысить конкурентоспособность.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Разработан экспериментально-аналитический метод определения коэффициента трения для условий горячего деформирования. Использование метода для исследований параметров контактного трения в процессе осадки кольцевого образца в условиях теплообмена при горячем деформировании позволило выявить зависимость коэффициента трения ц =ЛГ> 7шт-) ДОЯ температуры штампов Тшт = 100, 200 и 300 °С. Установлено, что при температуре штампов 300 °С и повышении температуры заготовки на 50°С величина кон-

тактного трения возрастает на 25 %. Экспериментальные и теоретические исследования величины контактного трения дают удовлетворительную сходимость результатов (до 1,0 %).

2. Полученную зависимость коэффициента трения ц =/(г, Тшт) можно использовать в экспериментальных исследованиях и в производственных условиях для оценки новых или разрабатываемых коллоидно-графитовых смазочных материалов и покрытий.

3. Установлена зависимость интенсивности изменения состава и массы коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной и масляной основах от температуры (при Т= 500...1000 °С) на основе выполненных экспериментально-аналитических исследований.

4. Исследовано влияние составов коллоидно-графитовых смазочных материалов и теплозащитных покрытий, дисперсности графита, типа графита и способа получения графита на стойкость штампов. Мелкодисперсные смазочные материалы (95...97 % до 5 мкм) обеспечивают штамповку углеродистых сталей на автоматизированных линиях при цикле штамповки 6...8с. При цикле штамповки 12...15 е., например при штамповке никелевых сплавов на электровинтовых прессах, целесообразнее применять коллоидно-графитовые смазочные материалы с дисперсностью 38...40 % до 5мкм.

5. Коллоидно-графитовые теплозащитные покрытия с дисперсностью 66 % до 5мкм позволяют создать ровное плотное покрытие на поверхности холодной заготовки сталей и сплавов и обеспечить защиту при нагреве до температуры 700 °С.

Коллоидно-графитовое теплозащитное покрытие (с дисперсностью 60% до 5мкм) для заготовок из никелевых сплавов обеспечивает защиту при нагреве до температуры 1100 °С, улучшает условия труда (позволяет использовать электрические печи взамен нагрева в расплаве солей хлористого бария).

6. Построенные на основании исследований различных коллоидно-графитовых композиций графики зависимости изменения состава смазочного материала, типа графита, его дисперсности и способа получения графита от температуры нагрева Т= 500, 700 и 1000°С позволяют выбрать предлагаемый поставщиками смазочный материал по составу и дисперсности.

7. На основе проведенных экспериментов в условиях действующего производства и последующей статистической обработки экспериментальных данных выявлена взаимосвязь стойкости штампов, величины контактного трения, степени сложности формы поковки и ее массы, на базе которой создана научно обоснованная методика выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов для горячей штамповки.

8. Универсальный коэффициент трения р в полученной зависимости является величиной, которая учитывает в расчете стойкости штампов для горячей штамповки температурно-скоростные параметры: температуры заготовки, штампа, температуру на контакте, сопротивление деформированию и скоростные параметры оборудования.

9. Выявленная зависимость и полученная формула прогнозирования стойкости штампов позволяет оценить выбранный коллоидно-графитовый смазочный материал на этапе разработки нового технологического процесса или в процессе замены смазочного материала в действующем процессе.

10. На примере расчета (прогнозирования) стойкости штампов для вилки-фланца карданного вала показано, что стабилизация температуры штампа в пределах 200...300 °С путем изменения степени разбавления концентрата, продолжительности нанесения и периодичности нанесения дает возможность уменьшить разброс стойкости штампов до 18 %.

11. Разработанная методика позволяет выбрать состав смазочного материала и его технологические свойства при температуре штамповки; рассчитать ожидаемую стойкость штампов и затраты на смазочные материалы, а также снижение себестоимости поковок. Повышение стойкости штампов для выдавливания и штамповки лопаток компрессора составило 20 и 15 % соответственно, а снижение затрат на штампы составили 600 тыс. руб.

12. Обоснованы составы новых коллоидно-графитовых смазочных материалов: АГ-4, АГ-5, ТВ-6, СТ-26, АСВ (АСВК), которые нашли применение в новых технологических процессах изготовления поковок автомобильных деталей, поковок деталей авиационного двигателя, точных заготовок колец подшипников и поковок других деталей из углеродистых сталей и трудно деформируемых никелевых сплавов. Вышеупомянутые смазочные материалы и их составы защищены авторскими свидетельствами и патентами.

13. Внедрение разработанных коллоидно-графитовых смазочных материалов на автоматизированных горячештамповочных линиях штамповки автомобильных поковок позволило снизить себестоимость на 4 % (за первый год использования) и улучшить экологическую среду, увеличить стойкость штампов электровинтовых прессов на 15 %, механических прессов на 20 % при изготовлении компрессорных лопаток двигателя АЛ31-Ф и снизить процент дефектов по трещинам на 20 %.

Разработан и внедрен новый технологический процесс изготовления компрессорных лопаток двигателя АЛЗ1-Ф в комплексе с созданным коллоидно-графитовым теплозащитным покрытием ОВТ-1 (состав ОВТ-1 защищен патентом РФ). Внедрение ОВТ-1 позволило автоматизировать процесс нагрева заготовок, обеспечить стабильный нагрев заготовок в пределах ±5°С, устранить дефекты на поверхности заготовок после штамповки.

Экономический эффект от внедрения составил более 11 млн. рублей.

Основное содержание и результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

Монография:

1. Петров А.Н. Коллоидно-графитовые смазочные материалы в процессах горячего деформирования сталей и сплавов. М.: МГМУ «МАМИ», 2012.212 с.

Статьи в изданиях, входящих в «Перечень периодических изданий, рекомендованных ВАК России для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук»:

2. Развитие заготовительного производства / А.Н. Петров и [др.], //Авиационная промышленность. 2002. №3. С. 40-50.

3. Применение коллоидно-графитовых смазочных материалов при горячей обработке металлов давлением / А.Н. Петров и [др.] // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2008. №6. С. 39-41.

4. Петров А.Н. Комплексная оценка свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов для процессов горячего деформирования металлов и сплавов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2011. №10. С.45-48.

5. Петров А.Н. Исследование коллоидно-графитовых теплозащитных покрытий для высокоуглеродистых сталей // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. №1 (13). С. 190-195.

6. Петров А.Н. Определение коэффициента трения методом осадки кольцевого образца в условиях горячей деформации // Известия МГТУ «МАМИ». 2012. №1 (13). С. 196-199.

7. Петров А.Н. Выбор оптимальных коллоидно-графитовых смазочных материалов для штампов горячего деформирования // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2.Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 209-214.

8. Петров А.Н. Исследование коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной основе // Известия ТулГУ. Серия. Технические науки. Вып.2.Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 215-220.

9. Петров А.Н. Методика прогнозирования стойкости штампов горячего деформирования на основе выбора оптимальных коллоидно-графитовых смазочных материалов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 109-114.

10. Петров А.Н. Оптимизация температурного режима работы штампов горячего деформирования // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. З.Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 139-143.

11. Петров А.Н. Исследование коллоидно-графитового смазочного материала на масляной основе // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2012. №4. С. 38-40.

12. Петров А.Н. Исследование коллоидно-графитовых теплозащитных покрытий для никелевых сплавов // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2012. №5. С. 35-38.

13. Петров А.Н. Выбор оптимальных коллоидно-графитовых смазочных материалов для штампов автоматизированных горячештамповочных линии // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2012. №6. С. 33-34.

14. Петров А.Н. Способы нанесение коллоидно-графитовых смазочных материалов на штампы горячего деформирования // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2012. №7. С. 41-43.

15. Петров А.Н. Прогнозирование стойкости штампов // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №5. С. 22-25.

16. Петров А.Н. Прогнозирование стойкости штампов горячего деформирования на основе выбора оптимальных коллоидно-графитовых сма-

зочных материалов // Заготовительные производства в машиностроении. 2012. №7. С. 26-28.

Публикации в сборниках международных и всероссийских научно-технических конференций и в различных сборниках научно-технических трудов:

17. The application of water-based lubricants with colloidal graphite for hot forging / A.H. Петров и [др.] // Conference on Synthetic lubricants, Sopron, Hungary, 12-14 September 1989

18. Research into water-based colloidal-graphite lubricants for forging of carbon steels and Ni-based alloys / А.Н.Петров и [др.] // International Journal of Material Forming. 2010. Vol. 3. Supl 1. P. 311-314.

19. Research into oil-based colloidal-graphite lubricants for forging of Albased alloys / A.H. Петров и [др.] //АЛР Conference Proceedings 1353. 2011. P. 1818-1823.

20. Комплексное исследование водно-графитовых смазок для горячей штамповки / А.Н. Петров и [др.] // Сборник трудов конференции 145-летие МГТУ «МАМИ» [Электронный ресурс]. М., 2010.

Авторские свидетельства СССР:

21. А.с. 1558961 СССР, МКИ С10М 173/02 Смазка для горячей обработки металлов давлением /А.Н. Петров, Т.Г. Репенкова, Н.А. Сунгурова и [др.]. Заявл.14.01.88; опубл. 23.04.90, Бюлл. № 15.

Патенты:

22. Пат. 2224008 РФ Смазка для горячей обработки металлов давлением / А.Н. Петров, Т.П. Андрейченко, Т.А. Сайранова. Опубл. 20.02.2004. Бюлл. 5.2с.

23. Пат. 2224011 РФ Смазка для заготовок при горячей или полугорячей обработки металлов давлением / А.Н. Петров, Т.П. Андрейченко, Т.А. Сайранова. Опубл. 20.02.2004. Бюлл.№5. 4с.

24. Пат. 2232797 РФ. Смазка для горячей обработки металлов давлением / А.Н. Петров, Т.П. Андрейченко, Т.А. Сайранова. Опубл. 20.07.2004. Бюлл. №20.2с.

Подписано в печать 26. Об. 2013. Формат бумаги 60x84 ухб. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,6. Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 035 .

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 97а.

Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей «НИИД» ФГУП «НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ»

На щ)$вах рукописи

05201351455

Петров Александр Николаевич

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОЛЛОИДНО-ГРАФИТОВЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ НА ПРЕССАХ

Специальность - 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Сосенушкин Е.Н.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 8 Глава 1 АНАЛИЗ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Анализ основных законов трения 16

1.2 Анализ экспериментальных методов исследования трения 18 ^ ^ Анализ смазочных материалов для процессов горячей 23

штамповки на прессах

1.4 Анализ способов нанесения смазочных материалов 36 Анализ влияния смазочных материалов на износ и 40 стойкость штампов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ 47 Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ КОНТАКТНОГО ТРЕНИЯ

2.1 Анализ метода осадки кольцевых образцов 51

^ Исследование параметров контактного трения в условиях 53 горячего деформирования

2.3 Расчет коэффициента трения 62 ^ Экспериментальное исследование величины контактного 67

трения

2.5 Сравнение расчетов и результатов эксперимента 74 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 81 Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ КОЛЛОИДНО-ГРАФИТОВЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Анализ методов исследования смазочных материалов 82

^ Исследование коллоидно-графитовых смазочных 86 материалов на водной основе

^ Исследование коллоидно-графитовых смазочных 100 материалов на масляной основе

^ Исследование коллоидно-графитовых теплозащитных 109 покрытий

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 131 Глава 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ОСВОЕНИЕ КОЛЛОИДНО-ГРАФИТОВЫХ

СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИИ

^ Горячая штамповка автомобильных поковок на 132

автоматизированных горячештамповочных линиях Статистический анализ стойкости штампов 137

4.1.1

автоматизированных горячештамповочных линий Эмпирическая формула прогнозирования стойкости 143

4» 1 mil*

штампов

2 Горячая штамповка компрессорных лопаток 146

газотурбинного двигателя на электровинтовых прессах ^ ^ Горячее выдавливание заготовок лопаток газотурбинного 158 двигателя на механических прессах

Полугорячая штамповка колец подшипников на 160

4.4

универсальных механических прессах ^ ^ Изотермическая штамповка поршней автомобильного 161

двигателя на гидравлических прессах

Освоение коллоидно-графитовых смазочных материалов 163

4.6

на различных предприятиях ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 172

Глава 5 ВЫБОР КОЛЛОИДНО - ГРАФИТОВЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

^ Алгоритм выбора коллоидно-графитовых смазочных 175

материалов

Примеры выбора коллоидно-графитовых смазочных 178

материалов

Рекомендации по использованию коллоидно-графитовых 183 5.3 смазочных материалов в процессах горячего деформирования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 204

Список используемой литературы 208

Приложение 1 - Программа расчета коэффициента трения 230

по А. Мэйлу

Приложение 2 - Программа расчета коэффициента трения для 234 горячей деформации

Приложение 3 - Подпрограмма расчета температуры заготовки 240

в глубине контактного слоя

Приложение 4 - Расчет температуры заготовки на глубине х 246

Приложение 5 - Акты внедрения 250

Приложение 6 - Инструкция по применению коллоидно- 276 графитовых смазочных материалов

Приложение 7 - Копии авторских свидетельств и патентов 279

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

радиус цилиндрической поверхности раздела течения металла 0 при сжатии кольцевого образца, мм.

Я радиус наружной поверхности кольцевого образца, мм.

г радиус внутренней поверхности кольцевого образца, мм.

р расстояние от оси кольцевого образца, мм.

ир радиальная компонента скорости перемещения точек образца Н высота образца в данный момент деформации, мм.

V скорость деформирования, м/сек.

Кк радиус кривошипа пресса, мм. щ. частота ходов пресса, мин"1

угол поворота кривошипного вала, считая от крайнего нижнего

а

положения

ао угол поворота кривошипного вала в момент начала осадки

со угловая скорость вращения кривошипного вала

г текущее время, с.

Н0 начальная высота образца, мм. Нк конечная высота образца, мм. X отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

Ь длина шатуна, мм.

// коэффициент трения

сопротивление деформированию металла на контактной

конт.

поверхности г коипи касательные напряжения

сопротивление деформированию при скорости деформации ¿¿с

сто

и температуре Т„, МПа.

коэффициент, учитывающий влияние скорости деформации на

п

сопротивление деформированию [138] т коэффициент [172]

Т температура на контактной поверхности, 0 С

Тзаг, температура заготовки, 0 С

температура штампа, 0 С

температура на контакте заготовки со штампом без учета прослойки окалины и смазки, 0 С

средняя скорость деформации, с"1

начальная ширина заготовки, мм.

теплопроводность материала штампа и заготовки

соответственно, вт/мК.

расстояние от поверхности заготовки, мм.

толщина прослойки /смазка, окалина/ между заготовкой и

штампом, мм.

мощность пластической деформации мощность контактного трения полная мощность деформации

внутренний диаметр кольцевого образца после осадки, мм. средние по двум измерениям диаметры в середине высоты образца, на нижнем и на верхнем торце соответственно, мм. свободный член, равный отклику при Х= У= О коэффициенты регрессии, показывающие степень влияния соответствующих факторов на выход процесса коэффициент регрессии, показывающий наличие эффекта взаимодействия двух факторов дисперсия ошибок наблюдения выборочная дисперсия на /-ом уровне фактора результат отдельного опыта

среднеарифметическое, равное сумме всех п отдельных результатов, деленное на количество параллельных опытов п число степеней свободы, равное количеству опытов минус единица

дисперсия определения коэффициентов модели критерий Стьюдента абсолютная величина коэффициента квадратичная ошибка коэффициента регрессии уровни значимости

/ число степеней свободы

температуропроводности материала штампа и заготовки

•у соответственно, м /с

7 среднее значение выборки, мм.

п число опытов [168]

Б2 дисперсия выборки

среднеквадратичное отклонение

АХ ширина доверительного интервала

т масса поковки, кг.

п сложность формы поковки

К величина, зависящая от ц и //

С стойкость штампа, шт.

безразмерные переменные

ВВЕДЕНИЕ

Горячая объемная штамповка является одним из способов получения заготовок, близких по форме и размерам к готовой продукции. Эффективность технологических процессов горячего деформирования в значительной степени зависит от правильного выбора технологических смазочных материалов.

Изыскание новых эффективных смазочных материалов для процессов горячего деформирования металлов и сплавов является одной из приоритетных задач в разработке новых технологических процессов для различных отраслей промышленности. Заготовительное (кузнечное) производство, это основа любого предприятия и экономия материалов и энергетических ресурсов зависит от технического уровня оснащения и, как следствие, от существующих технологических процессов. В условиях модернизации отечественного машиностроения и, в частности, обновления кузнечного производства, технологическое развитие отечественной промышленности на основе создания и внедрения ресурсосберегающих, экологически безопасных промышленных технологий позволяет производить конкурентоспособную наукоемкую продукцию.

Смазочные материалы способствуют не только снижению трения, уменьшению износа штампа и повышению его стойкости, но и снижению трудоемкости последующей механической обработки и, как следствие, снижению себестоимости продукции. В 70-х годах прошлого века появились новые виды смазочных материалов на основе коллоидного графита. Эти материалы широко применяют в автомобильной промышленности на горячештамповочных линиях штамповки автомобильных деталей. Главное преимущество новых материалов: автоматизация их нанесения на штампы и значительное повышение стойкости штампов за счет термостабилизации штампов в процессе работы. В авиационной промышленности новые смазочные материалы применяют на универсальных прессах для горячей штамповки

лопаток и других авиационных деталей из алюминиевых, титановых и жаропрочных сталей и сплавов. . В подшипниковой промышленности на автоматизированных линиях штамповки колец подшипников применяют коллоидно-графитовые смазочные материалы на водной основе. В настоящее время за рубежом известны фирмы специализирующиеся на производстве смазочных материалов такого типа: Acheson (Англия), Fuchs (Германия), Condat (Франция), Hitachi (Япония). В России известно предприятие ООО «Коллоидно-графитовые препараты» (Воскресенск, Московская область), которое разрабатывает и производит коллоидно-графитовые смазочные материалы. За рубежом, одним из требований охраны труда является безопасная экологическая среда, , поэтому коллоидно-графитовые смазочные материалы на масляной и водной широко применяются в кузнечно-штамповочном производстве

Новый тип смазочных материалов требует и новых подходов к их оценке и выбору применительно для конкретного технологического процесса и материала заготовки. Как правило, выбор технологических смазочных материалов ограничивается широкими промышленными испытаниями. Такой подход позволяет проводить испытания смазок, которые приготавливали в цеховых условиях, смешивая различные компоненты. Это качественная оценка смазочного материала без определения ее численных характеристик. Новые, готовые к использованию коллоидно-графитовые смазочные материалы, получаемые от производителя, требуют вложения денежных средств и являются расходным материалом. Потребитель должен выбирать смазочный материал с минимальными затратами на испытания.

Необходима методика выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов на основе комплексной оценки физико-химических и технологических свойств. Эффективный смазочный материал должен способствовать повышению стойкости штампов в процессе эксплуатации и

должен снижать себестоимость кузнечной продукции, за счет сокращения доли затрат на штампы и на смазочный материал.

Под словом «эффективный» надо понимать коллоидно-графитовый смазочный материал, который обеспечивает стабильную работу линии (участка), т.е. отсутствие прерывания процесса штамповки; создает условия для поддержания оптимальной температуры штампа; способствует повышению стойкости штампов, снижает уровень брака; снижает себестоимость продукции за счет сокращения затрат на штампы и смазочные материалы и улучшает экологическую среду.

Стойкость штампов горячего деформирования зависит от многих факторов: штампового материала, способа изготовления, термической обработке, упрочнения поверхности. Прогнозирование стойкости штампов на этапе проектирования штамповой оснастки учитывает эти факторы [24,27,121...123,127,128,141...144,160,176,182,187,189,191].

Выбор смазочного материала, способ его нанесения на штампы, продолжительность нанесения и темп штамповки относятся к проектированию технологического процесса и на этапе производства ( штамповки) конкретной детали, эти факторы влияют на стойкость штампов[32,38,62,63,59,72,181,192]. Прогнозирование стойкости штампов на этапе выполнения технологического процесса применительно к коллоидно-графитовым смазочным материалам на сегодняшний день отсутствует[40].

Существующие методы исследования смазочных материалов (прямые и косвенные) не позволяют создать условия процесса горячего деформирования или не учитывают свойства смазочной композиции, которая может вести себя неоднозначно при повышенных температурах.

Поэтому решение проблемы выбора эффективного состава смазочного материала носит системный характер и охватывает анализ физико-химических и технологических свойств материала и установление влияния этих свойств на стойкость штампов в процессе горячего деформирования.

Выбора эффективного смазочного материала на основе комплексного исследования его свойств решает технологическую проблему в масштабах страны.

Актуальность и этапы решения этой проблемы на протяжении многих лет отражались в Государственных программах развития народного хозяйства.

В диссертационной работе поставлена и решена актуальная проблема обоснования выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов для процессов горячего деформирования сталей и сплавов на прессах.

Работа выполнялась в рамках государственных программ и при финансовой поддержки Министерства образования и науки РФ:

1. Государственная программа работ по решению научно-технической проблемы 0.03.02 (новые экологически чистые смазочные материалы для процессов горячей обработки металлов давлением) от 12.12.1980г.

2. Государственная программа «Экологическая безопасность России» от 28.12.1992г.

3. Программа работ по совершенствованию технологических процессов горячего деформирования заготовок ГТД от 2000г.

4. Основы политики РФ в области развития науки и технологии на период до 2010года и дальнейшую перспективу, утвержденные Президентом РФ 30.03.2002г.

5. Программа "Национальная технологическая база" на 2007-2011 годы от 29.01.2007г.

6. Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на период до 2015 г.

Исходя из вышесказанного, сформулирована тема диссертации: «Научное обоснование выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов и покрытий для горячей штамповки на прессах».

Первая глава посвящена анализу существующего состояния вопроса по коллоидно-графитовым смазочным материалам и стойкости штампов и определены цели работы и задачи.

Во второй главе приводится алгоритм и решение задачи по осадке кольцевых образцов в условиях горячего деформирования для исследования влияния технологических параметров на величину контактного трения и определения коэффициента трения. Дан анализ метода осадки кольцевых образцов, разработанный А. Т. Мэйлом и М. Кокрофтом. Реализована программа расчета величины контактного трения с учетом температуры заготовки и штампа, а также параметров оборудования. Исследованы параметры контактного трения. Показано влияние вышеуказанных параметров на величину контактного трения. Дан пример расчета коэффициентов трения для коллоидно-графитовых смазочных материалов. Приведены результаты экспериментального исследования величины контактного трения. Приведен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических расчетов.

В третьей главе приведены результаты исследования физико-химических свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов на водной и масляной основе и теплозащитных покрытий.

В четвертой главе приведены результаты практического использования коллоидно-графитовых смазочных материалов применительно к различным деталям и материалам и условиям деформирования: горячая, полугорячая и изотермическая штамповка. Для установления влияния величины контактного трения на стойкость штампов, выполнены экспериментальные исследования в производственных условиях на автоматизированных линиях штамповки автомобильных деталей.

Приведена эмпирическая формула прогнозирования стойкости штампов автоматизированных горячештамповочных линий и даны сравнительные результаты (расчетные и среднестатистические - производственные) стойкости штампов горячештамповочных линий.

Примеры практического использования метода выбора коллоидно-графитовых смазочных материалов на конкретных поковках и рекомендации выбора коллоидно-графитового смазочного материала изложены в пятой главе.

Прогнозирование стойкости штампов для автоматизированных горячештамповочных линий и универсальных прессов на основе теоретического обоснования и комплексной оценки свойств коллоидно-графитовых смазочных материалов дает возможность обоснованного выбора смазочного материала с технической и экономической точки зрения. Таким образом, на защиту выносятся:

1. Алгоритм и решение задачи осадки кольцевых образцов, учитывающие изменения сопротивления деформированию в зависимости от температурного фактора для исследования влияния технологических параметров на величину коэффициента трения в условиях горячего деформирования.

2. Закономерность влияния температуры на интенсивность изменения свойств, состава и массы смазочного материала в процессе горячего деформирования.

3. Зависимость стойкости штампов от массы поковки, сложности формы поковки и величины контактного трения.

4. Научно обоснованные методику и алгоритм выбора коллоидно-графитового смазочного материала, включающие комплексную оценку свойств смазочных материалов и температурно-скоростные условия деформирования.

5. Рекомендации по применению имеющихся и вновь разработанных коллоидно-графитовых смазочных