автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Штамповка биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов

На правах рукописи

ЖИГУЛЕВ ИЛЬЯ ОЛЕГОВИЧ

ШТАМПОВКА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ЖЕЛЕЗА В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.03.05 - Технологии и машины обработки давлением

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2005

Работа выполнена в Камском государственном политехническом институте

Научный руководитель •

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шибанов В. Г.

доктор технических наук, Кузьминых А. А. кандидат технических наук, Круглое А.А.

Ведущая организация:

Научно-технический центр ОАО «Камский автомобильный завод»

Защита состоится к 12 » ато^-Л Л 2005 г. в А/ часов на заседании диссертационного совета Д 002.080.01 в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН по адресу: 450901, г. Уфа, ул. С Халтурина, 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПСМ РАН.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 450001, г. Уфа, ул. С Халтурина, 39, диссертационный совет Д 002.080.01

Автореферат разослан « С? » ОД 2005 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного Совета Д 002 доктор технических наук

.080.01

Р.Я. Лутфуллин

453 09

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В настоящее время с ростом мощностей в автомобильной промышленности постоянно повышается энерговооруженность силовых шрегатов автомобилей. В связи с новыми требованиями ЕВРО-2. ЕВРО-3, предъявляемыми к двигателям внутреннего сгорания грузовых автомобилей, из-за растущих нагрузок на поршневую группу ресурс поршней, изготовленных по традиционным технологиям, снижается.

В связи с тем, что традиционные технологии и материалы перестают отвечать повышающимся эксплуатационным потребностям, возникают новые технологические потребности. Это способствует разработке и применению биметаллических изделий, обладающих, как известно, уникальным набором свойств. Например, такая пара материалов как сталь - алюминиевый сплав является весьма перспективной, вследствие высокой удельной прочности получаемого композиционного материала или биметаллического изделия.

Однако, применение традиционных методов формообразования армированных изделий, таких, как литье, литье под давлением, горячая объемная штамповка в ряде случаев затруднено вследствие сложной пространственной структуры армирующей системы и различием свойств составляющих их компонентов. Кроме того, ряд недостатков, присущих традиционным технологиям, также затрудняет получение качественных армированных изделий. В итоге получение прочного биметаллического изделия становится невозможным по причине либо крайней сложности совмещения арматуры и матрицы изделия, либо из-за малой прочности адгезионных связей на их контакте. Применение таких технологий, как литье с кристаллизацией под давлением не всегда позволяет обеспечить прочность соединения разных металлов, например, сплавов на основе железа и алюминия. Это означает, что действия температуры и давления не достаточно для возникновения адгезионных связей на контакте разнородных металлов.

Возникает необходимость разработки новых технологических процессов, с помощью которых возможно создание пространственно армированных изделий, состоящих из различных металлов с прочностью адгезионного взаимодействия компонентов, соответствующей новым требованиям уровня качества полученного изделия, как по внешним показателям (качество поверхности, точность размеров), так и по внутренним (отсутствие внутренних дефектов). Кроме того, новый процесс должен быть таким, чтобы при его внедрении перевооружение производственного парка, обошлось без значительных экономических и трудовых затрат.

На основе патентных исследований и анализа традиционных способов изготовления объемных армированных изделий, предложен и исследован способ штамповки биметаллических изделий в процессе кристаллизации более легкоплавкого металла с принудительным пластическим сдвигом затвердевшего компонента по поверхности армирующего элемента.

Этот процесс имеет ряд существенных отличительных признаков от традиционных методов формообразования горячего моталда, таких как штамповка в режиме сверхпластичности, го] '$&зя'рб£емйф£ дГгаАш >вка. литье с кристалли-

зацией под давлением, тиксолитье. Основное отличие способа - образование адгезионных связей сначала совмещением жидкой фазы и твердого армирующего элемента, кристаллизация расплава на поверхности арматуры, затем пластическая деформация закристаллизовавшейся части сплава со сдвигом его по контактной поверхности в условиях гидростатического давления при продолжающейся кристаллизации остального объема расплава. Относительное перемещение закристаллизовавшейся части сплава по поверхности армирующего элемента в условиях нормального давления способствует обнажению ювениль-ных поверхностей и образованию дополнительных мостиков схватывания, значительно повышая конструктивную прочность армированного изделия.

Однако, в настоящее время, несмотря на большой объем исследований, выполненных в области штамповки изделий из кристаллизующихся сплавов, процессы получения качественного биметаллического изделия из кристаллизующегося сплава изучены не дос 1а точно полно. Поэтому во многих случаях выбор темпера гурно-силовых параметров процесса штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов производится на основе накопленного производственного опыта. Для установления оптимальных режимов штамповки биметаллических изделий из алюминиевых сплавов с армирующими элементами из сплавов на основе железа, например поршня ДВС, и обеспечения прочной межкомпонентной связи в изделии необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования в этой области.

Следовательно, актуальность разработки методики штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе железа и алюминия не вызывает сомнения.

Работа выполнена при поддержке гранта Т02-06.4-271 Министерства образования Российской Федерации.

Целью работы является определение режимов штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов повышающих эксплуатационные свойства за счет формирования прочных адгезионных связей на контакте разнородных металлов.

Для достижения поставленной цели в работе были определены и решены следующие научные задачи:

1) Исследовать закономерности получения биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа штамповкой кристаллизующегося металла.

2) Разработать методику экспериментальной оценки прочности адгезионного взаимодействия разнородных материалов в биметаллическом изделии, получаемом штамповкой кристаллизующегося металла.

3) Разработать математическую модель оценки влияния параметров процесса получения биметаллического изделия штамповкой кристаллизующегося металла на прочность адгезионного взаимодействия.

4) Разработать методики проектирования технологии штамповки биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов.

5) Разработать технологическую схему для штамповки поршня двигателя

внутреннего сгорания с чугунной вставкой в процессе кристаллизации алюминиевого сплава.

Методы исследований. В работе в качестве основных применены методы статистического анализа для обработки экспериментальных данных при проведении планового эксперимента.

Исследование осуществляли по следующим направлениям: а) оценка прочности адгезионных связей разнородных материалов в биметаллическом изделии, полученном штамповкой кристаллизующегося металла; б) оценка влияния геометрии армирующего элемента биметаллического изделия штампуемого из кристаллизующегося металла на прочность адгезионных связей; в) натурный эксперимент по формообразованию биметаллического изделия из разнородных материалов штамповкой кристаллизующегося металла.

Проведение факторного эксперимента осуществляли с целью получения • уравнений регрессии, связывающих геометрию армирующего элемента и тем-

пературно-силовые параметры процесса изготовления биметаллического изделия штамповкой кристаллизующегося металла с прочностью адгезионной связи.

Теоретическое исследование энергосиловых параметров процесса производили с помощью аналитических методов расчета с описанием движения сплошной среды в координатах Эйлера.

Проверку адекватности полученных уравнений регрессии и формул, описывающих энергосиловых параметров исследуемого процесса, производили сравнением расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процесса штамповки биметаллического изделия с цилиндрическим армирующим элементом в процессе кристаллизации, устанавливающая зависимость между средним усилием деформирования заготовки, контактными условиями и толщиной вертикальных стенок изделия, кристаллизующихся на поверхности инструмента и армирующего элемента.

2. Установлено влияние темперагурного и силового параметров штамповки биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов на прочность сцепления со стальным армирующим элементом без промежуточного слоя в диапазоне температур нагрева армирующего элемента 140-280°С, при давлениях прессования 0-100 МПа.

3. Определено влияние геометрических параметров армирующего элемента на прочность адгезионных связей между компонентами штампуемого биметаллического изделия. Установлено, что при значении угла наклона контактной поверхности армирующего элемента к направлению прессования 5-5° обеспечивается максимальная прочность сцепления алюминиевого сплава и стальной арматуры.

4. На основе регрессионного анализа разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между температурно-силовыми параметрами процесса штамповки биметаллического изделия из кристаллизующегося ме-

талла, геометрическими параметрами армирующего элемента и прочностью адгезионных связей в получаемом изделии в диапазоне температур 140-280°С, давлений 0-100 МПэ, углов наклона контактной поверхности армирующего элемента 0-10°. Модель позволяет оценивать на стадии проектирования прочность биметаллических изделий и выбирать оптимальный режим штамповки.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Разработана методика оценки влияния технологических и геометрических параметров процесса штамповки изделий с армирующими элементами из кристаллизующегося металла на прочность адгезионных связей разнородных материалов.

• Разработан и защищен патентом РФ № 2205089 способ изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания с армирующей вставкой штамповкой из кристаллизующегося металла.

• Расчетная экономия в связи с повышением качества и долговечности деталей при замене литья в кокиль на новый метод при программе выпуска поковок поршней 150000 шт, составляет 19 млн. руб по ценам на ноябрь 2004г.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 1204 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 8-ми Международных, Всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в пятнадцати научных трудах, которые включены в список литературы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 168 наименований Работа изложена на 118 страницах машинописного текста содержит 34 рисунка, !! таблиц.

Личный вклад. Все основные теоретические и экспериментальные исследования, подготовка публикаций, докладов на конференциях проводились автором лично или под руководством научного руководителя при непосредственном участии автора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены основные, выносимые на защиту, результаты работы, их научная новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена анализу существующих в настоящее время проблем проектирования и производства биметаллических изделий из разнородных материалов методами обработки давлением. Проведен обзор существующих методов изготовления армированных изделий и способов обеспечения прочности адгезионных связей. Выявлены особенности получения армированных изделий при взаимодействии твердой поверхности армирующего элемента с рас-

плавом и твердой поверхностью сплава основы. Рассмотрены характер взаимодействия и виды возникающих связей на контакте металлов.

Проведен анализ условий работы поршня двигателя внутреннего сгорания, существующих схем его формообразования и принципов проектирования оснастки для его изготовления из расплавов в условиях давления. Сделаны обобщающие выводы о принципах разработки технологической оснастки. Рассмотрены принципы выбора техноло)ических параметров процесса штамповки поршня.

Указаны авторы наиболее значимых работ в области формообразования изделий из расплавов.

На основе проведенного анализа литературы поставлены задачи исследования.

Во второй главе описаны материалы, оборудование и методики проведения экспериментов по определению влияния технологических и геометрических параметров процесса штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевого сплава.

Экспериментальную часть работы проводили на образцах оригинальной конструкции с использованием материалов: технический свинец, технический алюминий АД, алюминиевые сплавы АД31, АК18, сталь 40, чугун ЧН15Д7Х2.

Плавку алюминиевых сплавов производили в тигле в печи СНО 3x6x2/10 И2, имеющей устройство контроля температуры. Формообразование биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов осуществляли на гидравлическом прессе И)-100 номинальным усилием 1 МН. Испытания биметаллических образцов на прочность адгезионных связей проводили на разрывной машине Р-20 номинальным усилием 200 кН. Описан натурный эксперимент по формообразованию биметаллического изделия из алюминиевого сплава штамповкой кристаллизующегося металла на примере поршня двигателя внутреннего сгорания.

Приведены отличительные признаки процесса штамповки биметаллических изделий из кристаллизующегося металла с принудительным пластическим сдвигом по контактной поверхности. Анализ исследуемого процесса показал, что этот метод не следует отождествлять с другими способами формообразования изделий.

Проведено исследование влияния величины шероховатости и направления следов обработки контактной поверхности инструмента на пластическое течение деформируемого металла по контактной поверхности. Экспериментально установлено, что зависимость коэффициента трения при пластической деформации от шероховатости гравюры штампа имеет нелинейный характер; видом и направлением механической обработки поверхности инструмента и армирующего элемента, можно управлять механическим сцеплением затвердевшей части кристаллизующегося компонента формообразуемого изделия и поверхности армирующего элемента или инструмента, при шероховатости инструмента бо-тее Яа 1,6 мкм для облегчения разъема пттампв. величину уклона охватываемых поверхностей инструмента следует выполнять не менее 3-5° при направлении следов механической обработки вдоль течения металла и не менее 7-10° - попе-

рек течения металла; наклон поверхности армирующего элемента к направлению действия сил штамповки следует выполнять в пределах 3-5°; для создания направленного потока кристаллизующегося металла при его формообразовании шероховатость поверхности инструмента в участках затрудненной залолняемо-сти гравюры штампа должна быть не более Ка^! .6-2 мкм со следами механической обработки вдоль течения металла; для создания механического сцепления поверхности инструмента с кристаллизующимся металлом для его интенсивной пластической деформации шероховатость деформирующей поверхности должна быть в пределах Ла=3^-4 мкм. Кроме того, выявлено, что наличие разделительной пленки на контактных поверхностях понижает усилие съема поковки на 75-г80% при конусности инструмента -10°.

Проведено исследование зависимости прочностных характеристик адгезионного взаимодействия между компонентами биметаллического изделия от темнературно-силовых параметров процесса формообразования в условиях кристаллизации и пластической деформации. Для этого разработана методика оценки прочности адгезионных связей осесимметричных образцов биметаллических изделий, позволяющая выявить влияние температурно-силовых параметров процесса штамповки и геометрических параметров армирующего элемента на прочность адгезионных связей.

Штамповку образца биметаллического изделия из кристаллизующегося сплава и испытание его на прочность из разнородных материалов проводили по приведенной на рис. 1 схеме. На рис. 1, а показан процесс литья с кристаллизацией под давлением или штамповка жидкого металла. На рис.1, б приведен метод штамповки армированного изделия с принудительным пластическим сдвигом компонентов, благодаря подвижному выталкивателю. Схема испытания образцов на прочность адгезионных связей путем выпрессовки армирующего стержня из основы биметаллического изделия представлена на рис.1, в.

б) в)

Рис 1. Схемы штамповки образца биметаллического изделия из кристаллизующегося сплава по традиционной схеме (а), с принудительным пластическим сдвигом (б) и схема испытания биметаллического образца на прочность (в) ! -тигель, 2- расплав, 3- пуансон, 4- армирующий элемент, 5- закристаллизовавшийся сплав основы, 6- матрица штампа. 7-выталкивэл ель, 8- неподвижная опора

Разрыв адгезионных связей происходил под действием либо только сдвигающих нагрузок на поверхности цилиндрического образца, либо под действием системы сдвигающих и отрывающих нагрузок при выпрессовке конического образца.

Также описана методика расчете экономической эффективности внедрения прогрессивного технологического процесса изготовления изделия взамен литья в кокиль, учитывающая повышение срока службы, снижения массы металла на одно изделие, улучшение конструкции изделия.

В третьей главе осуществлена разработка математических моделей прочности адгезионных связей между элементами биметаллических изделий из разнородных материалов. В результате экспериментов получены зависимости среднего напряжения сдвига армирующего элемента биметаллического изделия от температурно-силовых параметров процесса штамповки и геометрических параметров армирующего элемента (рис.2).

о/, МПа;

Ек/Тц, хЮ'1

Рис.2. Зависимость среднего напряжения сдвига армирующего элемента (д-р относительно основы биметаллического изделия от температуры армирующего элемента (Тарм), давления штамповки (Ра,) и угла наклона наклона контактной поверхности армирующего элемента (а): 1- Тарм= 140°С, Рш - 0; 2- Тар^ 140°С, Рш= 50 МПа; 3- 140°С, Рш= 100 МПа; 4- 1^,= 280°С, Рш= 0; 5- 'Гарм- 280°С, Рш= 50 МПа; 6- зависимость отношения площадей контактной поверхности конического и цилиндрического армирующих стержней Рк/Рц от угла а.

Регрессионным анализом экспериментальных данных были получены математические модели, связывающие температурно-силовые параметры штамповки биметаллических изделий с прочностью адгезионных связей на контакте разнородных металлов для различных углов наклона контактной поверхности армирующего элемента к линии действия усилия штамповки (1). Здесь ^ среднее напряжение сдвига компонентов биметаллического изделия при разрушении, МПа; ц-"- временное сопротивление разрушению легкоплавкого компонента (основы) изделия при температуре испытания. МПа; 0ш - давление штамповки. МПа; /д и (л" - абсолютная температура нагрева армирующего

V-/ АРМ

элемента и расплава, соответственно, К. По уравнениям регрессии построены

поля значений относительного среднего напряжения сдвига из разнородных материалов & в зависимости от относительной температуры нагрева армирующего "-лемента и относительно давления штамноаки & рис.3.

а=0° = 0,2134 1-0,'37 + 0,9504 Щ I,S638 --f -

<У„ ©1„ СТ, 0Ш СТ, 11 ^

а-Зй ^"-£. = 0,2516 + 0,7224 ©«1 + 0.9917 ^Л- - 1,891 Яж.

* лМ И л« N

<Х„ 0г, - СГ„ СТ»

а=5" 0,2624 <-0 5063т0,3523 ^-0,6995 ^^- ■

M лм >1 --- M

СТ* <Хе 0ОЪ7 СГ„

а=7° 2148 + 0,3155 ^f^ + 0,3155 ^£-0,3251 ^^ Щ-

M у-. Ai *г af

(У в кУш СТ в УЗ ми СТ В

«=10° 0,2018 + 0.4442 -0,238 ^f+ 0,8405 ^f^

СТв ©к.; СГв 0,« СГа

а) б) в)

Рис.3. Графическая зависимость относительной прочности биметаллического изделия от значений управляемых параметров процесса формообразования в условиях кристаллизации и пластической деформации для при угле наклона контактной поверхности армирующего элемента а равном 0° (а), 5° (б) и 10° (в)

Установлено влияние геометрических параметров армирующего элемента на прочность адгезионных связей; установлено, что при значении угла наклона контактной поверхности 3-5° обеспечивается максимальная прочность адгезионных связей. Обнаружено повышение прочности сцепления компонентов биметаллического изделия при штамповке из кристаллизующегося металла. Для армирующего элемента с углом наклона контактной поверхности 3-7° повышение составляет 22-25%. При углах 7-10° повышение составляет до 47%. Четвертая глава посвящена разработке алгорчтма проектирования технологического процесса формообразования биметаллических изделий в условиях кристаллизации и пластической деформации. Для этого введен анализ механической, электрохимической, и структурной совместимости металлов при сваривании традиционными методами.

Произведена оценка минимальной величины механического давления при

формообразований изделий из разнородных материалов в условиях кристаллизации и пластической деформации, с применением математического моделирования Задача определения энергосиловых параметров процесса решалась следующим образом. Твердожидкая заготовка в момент приложения нагрузки представляет собой закристаллизовавшуюся по поверхности контакта с инструментом сплошную корку и жидкую сердцевину. При штамповке, основная доля давления затрачивается на пластическое деформирование закристаллизовавшихся вертикальных стенок и трение в зоне контакта с инструментом. Такое состояние вполне достоверно моделирует процесс осадки трубных заготовок с переменной толпшной стенки в матрице, и на оправке рис.4.

Рис.4. Схема моделирования процесса формообразования осадкой трубных заготовок в контейнере и на оправке: 1- пуансон; 2 - армирующий стержень (оправка); 3 -- закристаллизовавшаяся часть расплава, образующая трубную заготовку; 4 - матрица штампа (контейнер)

Труба наружным диаметром 2КН моделирует закристаллизовавшуюся корку металла на контакте с матрицей, а труба внутренним диаметром 2г„ - корку на армирующем стержне. Таким образом, происходит осадка внутренней трубы наружу и внешней внутрь. Усилия р, необходимые для осадки труб получены инженерным методом и записаны в виде (2). Здесь ст? - сопротивление деформированию материала, - отношение радиуса внутренней поверхности наружной трубы к ее внешнему (неизменному) радиусу; - отношение радиуса наружной поверхности внутренней трубы к ее внутреннему (неизменному) радиусу.

Получено, что величина требуемого давления при формообразовании кристаллизующегося металла пластическим деформированием зависит от схемы прессования, контактных условий на инструменте, сложности конструкции изделия. Для поршневой схемы прессования при максимальном коэффициенте трения среднее давление прессования равно 1,45ст5 ПРИ температуре штамповки. Формулы (2) хорошо согласуются с экспериментальными данными и могут служить для предварительной оценки усилия штамповки.

( г

-0,9 + 2,83,1-

л

ь 1

Также выявлено, при максимальном коэффициенте трения глубина зоны пластической деформации вертикальных кристаллизующихся стенок под пуансоном равна 0,45 от диаметра пуансона. Размещение в этой зоне армирующего элемента обеспечит усиление адгезионного взаимодействия за счет контактного трения компонентов изделия в условиях нормального давления.

По результатам литературного анализа и проведенных исследований разработан алгоритм проектирования технологического процесса штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевого сплава.

Алгоритм состоит из последовательности шагов, необходимых для того, чтобы по требуемым свойствам проектируемого изделия разработать его состав и технологию его формообразования в условиях кристаллизации и пластической деформации:

• формулировка требуемых эксплуатационных характеристик проектируемого биметаллического изделия;

• определение свойств материалов, составляющих биметаллическое изделие, по эксплуатационным характеристикам;

• подбор материалов по заданным свойствам. Если такие материалы в промышленности не применяются, то требуется проведение дополнительных исследований с целью определения возможности создания требуемых материалов. В противном случае изменяют конструкцию биметаллического изделия и переопределяют свойства материалов;

• определение химической и механической совместимости контактирующих материалов. В случае непригодности рассматриваемой пары материалов производят вторичный подбор материалов, либо изменяют конструкцию биметаллического изделия (введение третьего материала - промежуточного слоя).

• по механическим свойствам соединяемых материалов, коэффициенту формообразования, жидкотекучести расплавленного материала производят подбор температурного режима формообразования и расчет требуемого давления;

• по совмещаемым материалам определяют необходимость и режим термообработки проектируемого изделия.

Пятая глава посвящена разработке экспериментальной установки на базе гидравлического пресса для исследования влияния входных параметров на процесс штамповки биметаллического изделия в условиях кристаллизации и

пластической деформации рис.5. Сочетанием управляющих воздействий на параметры технологии можно имитировать разнообразные схемы процесса штамповки кристаллизующегося металла и подбирать рациональный режим для обеспечения требуемых свойств в требуемых сечениях. Это достигается дифференцированным нагревом штампа и возможностью двухстороннего пуансонного прессования.

Управление приводом и температурой верхнего и нижнего пуачсонов, дифференцированный нагрев матрицы, усилия штамповки

Положение и температура верхне'о и нижнего пуансонов температура матрицы, напряжения

Рис.5. Блок-схема экспериментальной установки по исследованию процесса штамповки биметаллических изделий из кристаллизующегося металла

Встречное перемещение обоих пуансонов - верхнего и нижнего - может происходить одновременно, последовательно или с частичным прекрыванием по времени. Основной (верхний) пуансон обеспечивает первоначально? формообразование и требуемое давление при кристалли ;ации основного объема расплава.

На основе предложенного алгоритма проектирования процесса штамповки биметаллических изделий и з кристаллизующегося металла разработан технологический процесс изготовления биметаллического лпршня двигателя зкутрен-

него сгорания защищаемым способом на разработанной установке. Циклограмма работы установки приведена на рис.6.

'Г0. С | центр заготовки

Дозатор

Верхний пуансон

Прошивни

Нижний пуансон

Заливка! _ | Прессо-

„„ „„ : Вы- ! г | кабоко-

распяа- ' вание ,

I деряска | выхот-

ва ! г сверху

I ■ верстии

Прессова- Вы- Извлечение снизу | держка , ние

Рис. 6 Циклограмма работы установки и основные технологические этапы при производстве поршня двигателя внутреннего сгорания: 1- чугунная вставка, 2 и 3- составляющие штампа, 4- прошивни, 5- верхний пуансон, 6- нижний пу ансон, 7- алюминиевый сплав, 8- тигель, 9- нагревательные элементы, 10- тепловой центр кристаллизации

В ходе экспериментов выявлены некоторые виды брака и проанализированы их причины. В результате испытаний на разрыв спая поршневой сплав - чугунная вставка выявлено, что прочность сцепления разнородных материалов о"/сг" 3 Данном случае повышается на 10-30% при переходе от литья в кокиль к штамповке в условиях кристаллизации и пластической деформации.

По результатам исследований и разработок получен патент РФ №2205089 «Способ изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания».

Вид получаемой на установке поковки поршня показан на рис.7.

Рис.7. Поковка поршня, получаемая на разработанной оснастке

Проведен расчет экономической эффективности внедрения прогрессивного технологического процесса изготовления заготовки поршня 740.30 автомобиля «КамАЗ» вместо традиционного литья в кокиль. Экономия металла в результате повышения долговечности детали поршень 740 30 с учетом сьижения массы производственных отходов составляет 195,75 т. в год при программе выпуска 150000 шт. В результате совершенствования конструкции отливки поршня экономия составит 158,25 т., что эквивалентно 57755 сэкономленным деталям или 19 млн. руб. по ценам на ноябрь 2004г.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

! Разработана методика и оснастка для экспериментального исследования процесса штамповки биметаллического изделия из кристаллизующегося металла с принудительным пластическим сдвигом затвердевшего компонента по поверхности армирующего элемента. Методика позволяет оценить влияние параметров штамповки на прочность адгезионных связей между компонентами армированного изделия.

2 Методом совместного решения приближенных уравнений равновесия и условия пластичности разработана математическая модель штамповки биметаллических изделий с цилиндрическим армирующим элементом в процессе кристаллизации, позволяющая определить среднее усилие деформировав ил

заготовки в зависимости от контактных условий и толщины вертикальных стенок изделия, кристалинуюшикся яа поверхности инструмента и армирующего элемента.

ч Разработан алгоритм выбора основных технологических параметров проектирования технологического процесса формообразования армированных изделий штамповкой кристаллизующегося металла, включающий выбор материалов по требуемым характеристикам, определение их совместимости, выбор температурного режима, расчет требуемо1 о давления, назначение режима термообработки изделия,

4 Экспериментально установлено влияние угла наклона контактной поверхности армирующего элемента, на прочность адгезионных связей между элементами биметаллического изделия, штампуемого из кристаллизующегося металла. Наибольшая прочность сцепления достигается при величине угла 35° к направлению прессования в температурном диапазоне 140-280° С.

5 Определена степень увеличения прочности сцепления кристаллизующегося алюминиевого сплава со стальным коническим армирующим элементом при штамповке биметаллического изделия по сравнению с литым изделием. Повышение прочности адгезионных связей в изделии с армирующим элементом, имеющем угол наклона контактной поверхности 3-7° составляет 2225%, для угла 7-10° - до 47% в интервале температур 140-280° С.

6 По результатам экспериментального исследования получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость прочности сцепления элементов биметаллического изделия от параметров процесса его штамповки: величины давления, температуры нагрева и угла наклона контактной поверхности армирующего элемента к направлению прессования.

7 Разработан способ изготовления биметаллического поршня двигателя внутреннего сгорания штамповкой кристаллизующегося метала, позволяющий повысить прочность сцепления поршневого алюминиевого сплава с чугунной вставкой на 10-30% по сравнению с технологией получения поршня литьем в кокиль. Способ защищен патентом РФ № 2205089

8. Расчетная экономия металла, связанная с совершенствованием конструкции, повышением качества и долговечности поршня, получаемого по технологии штамповки из кристаллизующегося металла при программе выпуска 150000 шт. составляет 158,25 т., что эквивалентно 57755 сэкономленным деталям или 19 млн. руб. по ценам ноября 2004 г.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Шибаков В.Г., Жигулев И.О., Марасинский А.Н. Прессование изделий при кристаллизации под давлением / Шибаков В.Г,, Жигулев И.О., Марасинский А.Н. // Кузнечно-штамповочное производство. - 2002. - №6. - С. 26-31.

2. Патент на изобретение №2205089 РФ, В22 О 18/02. Способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания / В.Г. Шибаков. И.О. Жигулев // Б .И. - 2003 -№15.

3. Жигулев И.О. Шибаков В.Г., Волкоб Д.А., Шибакова Т.В. Выбор основных параметров и комплексная оценка технико-экономической эффективности перспективных технологических процессов штамповки / Жигулев И.О., Шибаков В.Г. // Кузнечно-штамповочное производство - Москва. - 2004. Вып.№10. С. 16-20.

4. Жигулев И.О Шибаков В.Г., Волхов Д.А. Изготовление биметаллической ленты в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации / Жигулев И.О., Шибаков В.Г. // Кузнечно-штамповочное производство - Москва. - 2004. Вып.№10. С.12-15.

5. Шибаков В.Г, Жигулев И.О. Применение композиционных материалов для изготовления деталей двигателя внутрегшего сгорания / Шибаков В Г., Жигулев И.О. // Сб. тезисов докладов Второго международного симпозиума «Композиты и глубокая переработка природных ресурсов», Набережные Челны: КамПИ,- 1999.- С. 53-54.

6. Шибаков В.Г., Жигулев И.О. Управление технологическими параметрами процесса штамповки для получения требуемых характеристик / Шибаков В.Г'., Жигулев И.О. // Сб. тезисов докладов Международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь - науке будущего». Набережные Челны: КамПИ.- 2000,- С. 98-99.

7. Шибаков В.Г., Жигулев И.О. Штамповка деталей из расплавов алюминиевых сплавов / Шибаков В.Г., Жигулев И.О. // Сб. тезисов докладов Международной научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы промышленного производства: ТЭП-2000». Набережные Челны: КамПИ,-2000.- С. 144-145.

8. Шибаков В.Г., Жигулев И.О. Оценка адгезионных связей между элементами неоднородной конструкции при изготовлении ее в процессе совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации / Шибаков В.Г., Жигулев И.О. // Труды XXXI Уральского семинара «Механика и процессы управления». Изд-во Уральское отделение РАН, Екатеринбург.- 2001.- С. 152-157.

9. Шибаков В.Г., Волков Д.А., Жигулев И.О. Неоднородные конструкционные материалы. Перспективы и возможности / Шибаков В.Г., Волков Д.А., Жигулев И.О. //Проектирование и исследование технических систем: Межвузовский научный сборник. Вып. 2. / Под ред. доктора техн. наук проф. А.Х. Хайруллина - Набережные Челны: Изд-во Камского гос. политехи, инта.- 2002,- С. 91-93.

10. Шибаков В.Г., Жигулев И.О., Волков Д.А. Методика исследования условий возникновения адгезионных связей при формообразовании неоднородных конструкций / Шибаков В.Г., Волков Д.А., Жигулев И.О. и Проектирование и исследование технических систем. Межвузовский научный сборник. Вып. 2. / Под ред. доктора техн. наук прс-ф. А.Х. Хайруллина Набережные г1ед~ ны: Изд-во Камского гос. политехн. ин-та.- 2002.- С. 103-107.

П. Шибаков В.Г.. Волков Д.А., Жигулев И.О. Исследование влияния накопленной деформации на очесIво неоднородной конструкции / Шибаков В.Г , Волков Д.А., Жигулев И.О. // Зимняя школа по механике сплошных сред.

(тринадцатая) Школа молодых ученых по механике сплошных сред. Тезисы докладов. Екатеринбург: УРО РАН, 2003. С. 86.

12. Шибаков В.Г. Волков Д.А. Жигулев И.О. Исследование влияния управляющих параметров на качество неоднородной конструкции, формообра-зуемой в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый журнал, Камский государственный политехнический институт, SETS, №2, 2004, http://kampi.ruysets/base/2nomer/zhigulin/statl.htm.

13. Шибаков В.Г., Жигулев И.О. Конструктивно-технологические возможности облегчения деталей автомобиля // Сб. тезисов докладов Международной молодежной научной конференции «Перспективы развития автомобилей и двигателей в республике Татарстан». Набережные Челны. 1999. С.361.

14. Жигулев И.О. Об усилении связи разнородных металлов при формообразовании композита прогрессивными методами обработки давлением // Сборник статей УТИ Международной научно-технической конференции "Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков", Часть 1. - Пенза, 28-30 мая 2003 г. С.324-326.

15. Шибаков В.Г., Жигулев И.О. Математическая модель оценки прочности неоднородных изделий, формообразуемых в условиях совместно протекающих кристаллизации и пластической деформации / Шибаков В.Г., Жигулев И.О. // Информационные и социально-экономические аспекты создания современных технологий: Онлайновый журнал, Камский политехнический институт, 2004, №2, http://kampi.ru/sciteclVbase/nomer2/.

РНБ Русский фонд

2005-4 45309

Подписано в печать 05.03.2605г. Формат 60х84'/1в. Усл. печ. л. 1,39. Уч. изд. л. 1,22*» _ „ Тираж 255 экз. Заказ №17

Отпечатано методом ризографии в ООО «Выбф» * ' Лиц. Мин. Печати РФ ПД №1006 от 26.04.2001 г. | | 1 ■ 450075, г. Уфа, пр. Октября, 129/3, тел. (3472) 35-59-"» ; ; >

\

2 2 MAP 2005

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ 11 ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ОБРАБОТКОЙ ДАВЛЕНИЕМ

1.1. Современное состояние исследований процессов 11 получения армированных изделий

1.2. Методы обеспечения прочности адгезионных связей в 13 изделиях из разнородных материалов

1.3. Технологические процессы изготовления изделий из 17 разнородных материалов формообразованием металлов в твердой и жидкой фазах

1.4. Анализ условий работы поршня и способов его 19 изготовления

1.5. Выбор технологических параметров процесса штамповки 21 армированного поршня

1.6. Анализ существующих схем изготовления поршня 23 двигателя внутреннего сгорания

1.7. Выводы по главе

1.8. Постановка задач исследования

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ 30 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

2.1. Методики оценки прочности адгезионных связей

2.2. Материалы и оборудование, используемые для 37 экспериментов

2.3. Натурный эксперимент по штамповке биметаллического 39 изделия и методики исследования его качества

2.4. Методика определения классификационного признака 41 технологического процесса штамповки изделий из разнородных материалов из кристаллизующегося металла

2.5. Методика расчета экономической эффективности 47 внедрения прогрессивного технологического процесса

2.6. Выводы по главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 51 ШТАМПОВКИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ НА ПРОЧНОСТЬ СЦЕПЛЕНИЯ ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ

3.1. Исследование зависимости прочностных характеристик 51 адгезионного взаимодействия разнородных металлов от температурно-силовых и геометрических параметров процесса штамповки армированного изделия

3.2. Исследование влияния параметров шероховатости 63 контактной поверхности инструмента на сцепление разнородных металлов

3.3. Выводы по главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ 69 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ШТАМПОВКИ ИЗДЕЛИЙ С АРМИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ МЕТАЛЛА

4.1. Совместимость металлов, соединяемых в изделии

4.2. Оценка требуемой величины механического давления при 73 изготовлении изделий с армирующими элементами штамповкой кристаллизующегося металла

4.3. Алгоритм выбора основных технологических параметров 81 процесса штамповки изделий с армирующими элементами из кристаллизующегося металла

4.4. Выводы по главе

Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 84 ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С АРМИРУЮЩЕЙ ВСТАВКОЙ ШТАМПОВКОЙ КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕГОСЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

5.1. Разработка технологической оснастки для изготовления 84 поршня штамповкой кристаллизующегося металла

5.2. Прочность адгезионных связей на контакте поршневого 91 алюминиевого сплава и чугунной вставки

5.3. Результаты натурного моделирования

5.4. Расчет экономической эффективности внедрения 96 прогрессивного технологического процесса изготовления заготовки поршня 740.

5.5. Выводы по главе

В настоящее время с ростом мощностей в автомобильной промышленности постоянно повышается энерговооруженность силовых агрегатов автомобилей. В связи с новыми требованиями ЕВРО-2, ЕВРО-3, предъявляемыми к двигателям внутреннего сгорания грузовых автомобилей, из-за растущих нагрузок на поршневую фуппу ресурс поршней, изготовленных по традиционным технологиям, снижается.

В связи с тем, что традиционные технологии и материалы перестают отвечать повышающимся эксплуатационным потребностям, возникают новые технологические потребности. Это способствует разработке и применению биметаллических изделий, обладающих, как известно, уникальным набором свойств. Например, такая пара материалов как сталь - алюминиевый сплав является весьма перспективной, вследствие высокой удельной прочности получаемого композиционного материала или биметаллического изделия.

Однако, применение традиционных методов формообразования армированных изделий, таких, как литье, литье под давлением, горячая объемная штамповка в ряде случаев затруднено вследствие сложной пространственной структуры армирующей системы и различием свойств составляющих их компонентов. Кроме того, ряд недостатков, присущих традиционным технологиям, также затрудняет получение качественных армированных изделий. В итоге получение прочного биметаллического изделия становится невозможным по причине либо крайней сложности совмещения арматуры и матрицы изделия, либо из-за малой прочности адгезионных связей на их контакте. Применение таких технологий, как литье с кристаллизацией под давлением не всегда позволяет обеспечить прочность соединения разных металлов, например, сплавов на основе железа и алюминия. Это означает, что действия температуры и давления зачастую не достаточно для возникновения адгезионных связей на контакте разнородных металлов.

Возникает необходимость разработки новых технологических процессов, с помощью которых возможно создание пространственно армированных изделий, состоящих из различных металлов с прочностью адгезионного взаимодействия компонентов, соответствующей новым требованиям уровня качества полученного изделия, как по внешним показателям (качество поверхности, точность размеров), так и по внутренним (отсутствие внутренних дефектов). Кроме того, новый процесс должен быть таким, чтобы при его внедрении перевооружение производственного парка, обошлось без значительных экономических и трудовых затрат.

На основе патентных исследований и анализа традиционных способов изготовления объемных армированных изделий, предложен и исследован способ штамповки биметаллических изделий в процессе кристаллизации более легкоплавкого металла с принудительным пластическим сдвигом затвердевшего компонента по поверхности армирующего элемента.

Этот процесс имеет ряд существенных отличительных признаков от традиционных методов формообразования горячего металла, таких как штамповка в режиме сверхпластичности, горячая объемная штамповка, литье с кристаллизацией под давлением, тиксолитье. Основное отличие способа - образование адгезионных связей сначала совмещением жидкой фазы и твердого армирующего элемента, кристаллизация расплава на поверхности арматуры, затем пластическая деформация закристаллизовавшейся части сплава со сдвигом его по контактной поверхности в условиях гидростатического давления при продолжающейся кристаллизации остального объема расплава. Относительное перемещение закристаллизовавшейся части сплава по поверхности армирующего элемента в условиях нормального давления способствует обнажению ювенильных поверхностей и образованию дополнительных мостиков схватывания, значительно повышая конструктивную прочность армированного изделия.

Однако, в настоящее время, несмотря на большой объем исследований, выполненных в области штамповки изделий из кристаллизующихся сплавов, процессы получения качественного биметаллического изделия из кристаллизующегося сплава изучены не достаточно полно. Поэтому во многих случаях выбор температурно-силовых параметров процесса штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов производится на основе накопленного производственного опыта. Для установления оптимальных режимов штамповки биметаллических изделий из алюминиевых сплавов с армирующими элементами из сплавов на основе железа, например поршня ДВС, и обеспечения прочной межкомпонентной связи в изделии необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования в этой области.

Следовательно, актуальность разработки методики штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе железа и алюминия не вызывает сомнения.

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Камского государственного политехнического института при поддержке гранта Т02-06.4-271 Министерства образования Российской Федерации.

Целью работы является определение режимов штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов повышающих эксплуатационные свойства за счет формирования прочных адгезионных связей на контакте разнородных металлов.

Для достижения поставленной цели в работе были определены и решены следующие научные задачи:

1) Исследовать закономерности получения биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа штамповкой кристаллизующегося металла.

2) Разработать методику экспериментальной оценки прочности адгезионного взаимодействия разнородных материалов в биметаллическом изделии, получаемом штамповкой кристаллизующегося металла.

3) Разработать математическую модель оценки влияния параметров процесса получения биметаллического изделия штамповкой кристаллизующегося металла на прочность адгезионного взаимодействия.

4) Разработать методики проектирования технологии штамповки биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов.

5) Разработать технологическую схему для штамповки поршня двигателя внутреннего сгорания с чугунной вставкой в процессе кристаллизации алюминиевого сплава.

Методы исследований. В работе в качестве основных применены методы статистического анализа для обработки экспериментальных данных при проведении планового эксперимента.

Исследование осуществляли по следующим направлениям: а) оценка прочности адгезионных связей разнородных материалов в биметаллическом изделии, полученном штамповкой кристаллизующегося металла; б) оценка влияния геометрии армирующего элемента биметаллического изделия штампуемого из кристаллизующегося металла на прочность адгезионных связей; в) натурный эксперимент по формообразованию биметаллического изделия из разнородных материалов штамповкой кристаллизующегося металла.

Проведение факторного эксперимента осуществляли с целью получения уравнений регрессии, связывающих геометрию армирующего элемента и температурно-силовые параметры процесса изготовления биметаллического изделия штамповкой кристаллизующегося металла с прочностью адгезионной связи.

Теоретическое исследование энергосиловых параметров процесса производили с помощью аналитических методов расчета с описанием движения сплошной среды в координатах Эйлера.

Проверку адекватности полученных уравнений регрессии и формул, описывающих энергосиловых параметров исследуемого процесса, производили сравнением расчетных и экспериментальных данных.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана математическая модель процесса штамповки биметаллического изделия с цилиндрическим армирующим элементом в процессе кристаллизации, устанавливающая зависимость между средним усилием деформирования заготовки, контактными условиями и толщиной вертикальных стенок изделия, кристаллизующихся на поверхности инструмента и армирующего элемента.

2. Установлено влияние температурного и силового параметров штамповки биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов на прочность сцепления со стальным армирующим элементом без промежуточного слоя в диапазоне температур нагрева армирующего элемента 140-280°С, при давлениях прессования 0-100 МПа.

3. Определено влияние геометрических параметров армирующего элемента на прочность адгезионных связей между компонентами штампуемого биметаллического изделия. Установлено, что при значении угла наклона контактной поверхности армирующего элемента к направлению прессования 3-5° обеспечивается максимальная прочность сцепления алюминиевого сплава и стальной арматуры.

4. На основе регрессионного анализа разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между температурно-силовыми параметрами процесса штамповки биметаллического изделия из кристаллизующегося металла, геометрическими параметрами армирующего элемента и прочностью адгезионных связей в получаемом изделии в диапазоне температур 140-280°С, давлений 0-100 МПа, углов наклона контактной поверхности армирующего элемента 0-10°. Модель позволяет оценивать на стадии проектирования прочность биметаллических изделий и выбирать оптимальный режим штамповки.

Практическая ценность и реализация работы заключается в следующем:

• Разработана методика оценки влияния технологических и геометрических параметров процесса штамповки изделий с армирующими элементами из кристаллизующегося металла на прочность адгезионных связей разнородных материалов.

• Разработан и защищен патентом РФ № 2205089 способ изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания с армирующей вставкой штамповкой из кристаллизующегося металла.

• Расчетная экономия в связи с повышением качества и долговечности деталей при замене литья в кокиль на новый метод при программе выпуска поковок поршней 150000 шт, составляет 19 млн. руб. по ценам на ноябрь 2004г.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 1204 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 1204 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 8-ми Международных, Всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах.

Личный вклад. Все основные теоретические и экспериментальные исследования, подготовка публикаций, докладов на конференциях проводились автором лично или под научным руководством научного руководителя при непосредственном участии автора.

Основные результаты работы опубликованы в семнадцати научных трудах, которые включены в список литературы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 168 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 11 таблиц.

5.5. Выводы по 5 главе.

• Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для исследования влияния параметров процесса штамповки изделий из кристаллизующегося металла: усилие, температура и геометрия армирующего элемента, закон перемещения верхнего и нижнего пуансонов на особенности формообразования изделий типа стакан; возможные схемы прессования - пуансонная, поршневая, двухпуансон-ная.

• Разработан способ изготовления армированных поршней штамповкой кристаллизующегося металла, позволяющий повысить прочность сцепления поршневого алюминиевого сплава с чугунной вставкой на 10-30% по сравнению с технологией получения поршня литьем в кокиль.

• Разработанный способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания защищен патентом РФ №2205089.

• При натурном моделировании формообразования детали поршня большегрузного автомобиля выявлены виды брака и проанализированы их причины.

• Расчетная экономия металла в связи с повышением качества и долговечности деталей при замене литья в кокиль на штамповку кристаллизующегося металла при программе выпуска поковок поршней 150000 шт, составляет 158,25 т. в год, что эквивалентно 57755 сэкономленным деталям или 19 млн. руб по ценам ноября 2004 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика и оснастка для экспериментального исследования процесса штамповки биметаллического изделия из кристаллизующегося металла с принудительным пластическим сдвигом затвердевшего компонента по поверхности армирующего элемента. Методика позволяет оценить влияние параметров штамповки на прочность адгезионных связей между компонентами армированного изделия.

2. Методом совместного решения приближенных уравнений равновесия и условия пластичности разработана математическая модель штамповки биметаллических изделий с цилиндрическим армирующим элементом в процессе кристаллизации, позволяющая определить среднее усилие деформирования заготовки в зависимости от контактных условий и толщины вертикальных стенок изделия, кристаллизующихся на поверхности инструмента и армирующего элемента.

3. Разработан алгоритм выбора основных технологических параметров проектирования технологического процесса формообразования армированных изделий штамповкой кристаллизующегося металла, включающий выбор материалов по требуемым характеристикам, определение их совместимости, выбор температурного режима, расчет требуемого давления, назначение режима термообработки изделия.

4. Экспериментально установлено влияние угла наклона контактной поверхности армирующего элемента, на прочность адгезионных связей между элементами биметаллического изделия, штампуемого из кристаллизующегося металла. Наибольшая прочность сцепления достигается при величине угла 3-5° к направлению прессования в температурном диапазоне 140-280° С.

5. Определена степень увеличения прочности сцепления кристаллизующегося алюминиевого сплава со стальным коническим армирующим элементом при штамповке биметаллического изделия по сравнению с литым изделием. Повышение прочности адгезионных связей в изделии с армирующим элементом, имеющем угол наклона контактной поверхности 3-7° составляет 22-25%, для угла 7-10° - до 47% в интервале температур 140-280° С.

6. По результатам экспериментального исследования получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость прочности сцепления элементов биметаллического изделия от параметров процесса его штамповки: величины давления, температуры нагрева и угла наклона контактной поверхности армирующего элемента к направлению прессования.

7. Разработан способ изготовления биметаллического поршня двигателя внутреннего сгорания штамповкой кристаллизующегося металла, позволяющий повысить прочность сцепления поршневого алюминиевого сплава с чугунной вставкой на 10-30% по сравнению с технологией получения поршня литьем в кокиль. Способ защищен патентом РФ № 2205089

8. Расчетная экономия металла, связанная с совершенствованием конструкции, повышением качества и долговечности поршня, получаемого по технологии штамповки из кристаллизующегося металла при программе выпуска 150000 шт. составляет 158,25 т., что эквивалентно 57755 сэкономленным деталям или 19 млн. руб. по ценам ноября 2004 г.

1. Мехед Г.Н. В кн.: Процессы формообразования металлов и сплавов. М., «Наука», 1971, с. 169-177.

2. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. Колпашников А.И., Мануйлов В.Ф., Ширяев E.B. М., «Металлургия», 1974, 248 с.

3. Композиционные материалы. В 8-ми т. Под ред. Л. Браутмана и Р. Крона. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1978. Т. 4. Композиционные материалы с металлической матрицей./ Под ред. К. Крейдера, 1978, 503 с. ил.

4. Композиционные материалы. В 8-ми т. Под ред. Л. Браутмана и Р. Крона. Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1978. Т. 1. Поверхности раздела в металлических композициях./ Ред. А. Меткалф, 1978, 440 с. ил.

5. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапое идр.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова- 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 384 е., ил.

6. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев., В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. Под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

7. Колпашников А.И. и др. Деформирование композиционных материалов/ Арефьев Б.А., Мануйлов В.Ф., Колпашников А.И. М.: Металлургия, 1982 - 246 с.

8. Композиционные материалы: Справочник /АН.УССР; Ин-т проблем материаловед.; Л.Р. Вишняков, Т.В. Грудина, В.Х. Кадыров и др., Под ред. Д.М. Карпиноса- Киев: Наук, думка, 1985.

9. Специальные способы литья: Справочник / Под общ. ред. В.А. Ефимова. М.: Машиностроение, 1991 -734 с. ил.

10. Petrasec D.W., NASA TN-3073, 1965.

11. Меткалф А.Г. Ввведение в обзор- В кн: Поверхности раздела в металлических композитах/ Под ред. А.Г. Меткалфа, М.: Мир, 1978, с. 11-41.12