автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления деталей с тонкими высокими ребрами методом штамповки кристаллизующегося металла

Введение.

Глава 1. Анализ отечественной и зарубежной литературы по технологии изготовления оребренных деталей из алюминиевых сплавов.

1.1 Изготовление деталей из деформируемых алюминиевых сплавов.

1.2 Изготовление деталей из литейных алюминиевых сплавов.

1.2.1 Литье в неметаллические неразъемные формы.

1.2.2 Литье в металлические разъемные формы (кокильное литье).

1.2.3 Литье под давлением.

1.2.4 Штамповка кристаллизующегося металла.

1.3 Способы изготовления деталей из алюминиевых сплавов методом штамповки кристаллизующегося металла.•.

1.4 Технологические параметры изготовления деталей из алюминиевых сплавов методом штамповки кристаллизующегося металла.

1.4.1 Алюминиевые сплавы, используемые при штамповке кристаллизующегося металла.

1.4.2 Основные параметры технологического процесса.

1.4.2.1 Температура жидкого металла, заливаемого в штамп.

1.4.2.2 Температура элементов штампа.

1.4.2.3 Давление в процессе кристаллизации.

1.4.2.4 Время выдержки под давлением.

1.4.2.5 Скорости заполнения формообразующей, полости штампа и деформации в процессе кристаллизации изделия.

1.4.3 Получение изделий из композиционных материалов.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Расчетная оценка параметров заполнения каналов штампа, формообразующих высокие тонкие ребра при штамповке кристаллизующегося металла.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Дифференциальные уравнения, описывающие теплообмен в процессе заполнения.,.

2.3 Определение времени отвода теплоты перегрева в зависимости от температуры заливаемого металла.

2.4 Определение времени отвода скрытой теплоты кристаллизации.

2.5 Определение высоты заполнения каналов штампа в зависимости от скорости течения жидкого металла.

2.6 Влияние смазки на процесс заполнения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования технологических параметров изготовления деталей с высокими тонкими ребрами методом штамповки кристаллизующегося металла.

3.1 Методика экспериментальных исследований.

3.2 Инструмент, оборудование и приборы контроля.

3.3 Порядок операций при штамповке.

3.4 Плавка металла.

3.5 Смазка инструмента.

3.6 Заливка металла в матрицу.

3.7 Заполнение формообразующей полости штампа жидким металлом.

3.7.1 Факторы, влияющие на процесс заполнения.

3.7.2 Влияние разности температур AT заливаемого металла и штампа.

3.7.3 Влияние давления на жидкий металл на высоту заполнения канала.

3.7.4 Влияние скорости течения жидкого металла в канале.

3.8 Кристаллизация и выдержка под давлением.

3.9 Извлечение детали из штампа.

3.10 Штамповка детали "Корпус прибора".

Выводы по главе 3.

Глава 4. Основные технологические параметры изготовления деталей с высокими тонкими ребрами из алюминиевых сплавов методом штамповки кристаллизующегося металла.

4.1 Температура металла, заливаемого в штамп.

4.2 Температура металла в плавильной печи.

4.3 Температура элементов штампа.

4.4 Скорости движения пуансона.

4.5 Давление на жидкий металл при штамповке.

4.6 Время выдержки под давлением.

4.7 Требования к оборудованию и инструменту.

4.7.1 Требования к оборудованию.

4.7.2 Требования к инструменту.

Развитие машиностроительной промышленности идет по пути ужесточения требований к материалам деталей, усложнения их формы, повышения уровня и стабильности свойств, снижения массы и трудоемкости изготовления.

Снижение массы изделия и трудоемкости изготовления при сохранении достаточно высокого уровня свойств достигается за счет использования в качестве исходного материала цветных металлов, в том числе алюминиевых сплавов.

В современном производстве переработка алюминиевых сплавов осуществляется различными методами - литьем, ковкой, прессованием, горячей объемной штамповкой, в том числе изотермической штамповкой, листовой штамповкой. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки и подробно изучен многими отечественными и зарубежными исследователями.

Среди методов изготовления деталей из алюминиевых сплавов важное место занимает процесс штамповки кристаллизующегося металла, соединяющий в себе преимущества литья под давлением и горячей объемной штамповки. Этот метод позволяет получить за один переход детали с комплексом физико-механических свойств, во многих случаях превышающих свойства деталей, полученных традиционными методами горячей объемной штамповки.

Впервые метод штамповки кристаллизующегося металла был разработан в СССР в конце 30-х годов прошлого века, и с тех пор этот метод непрерывно совершенствуется, широко внедряется в промышленность и является объектом многих исследований. Однако, эти исследования относятся, в основном, к деталям простой формы в виде сплошных цилиндров или стаканов с толщиной стенки более 2-х мм и отношением высоты стенки к ее толщине 10.20.

Вместе с тем, имеется класс деталей с высокими тонкими ребрами (стенками), в которых толщина ребра менее 2-х мм, а отношение высоты к толщине более 30. Для таких деталей трудно определить оптимальные параметры технологического процесса их производства методом штамповки кристаллизующегося металла, поскольку информация литературных источников недостаточна и во многих случаях носит разрозненный противоречивый характер.

Целью настоящей работы является аналитическое и экспериментальное исследование и разработка технологии изготовления методом штамповки кристаллизующегося металла деталей с высокими тонкими ребрами из алюминиевых сплавов.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана технология изготовления тонкостенных деталей методом штамповки кристаллизующегося металла.

2. Разработана методика аналитического определения основных параметров технологического процесса - скорости заполнения каналов штампа, формообразующих тонкие высокие ребра, а также температуры заливаемого металла и подогрева штампа.

3. Экспериментально проверено влияние на степень заполнения каналов штампа скорости заполнения, температуры заливаемого металла, давления на жидкий металл в процессе заполнения. Проведено сравнение результатов теоретического анализа и экспериментальных исследований.

4. Сформулированы основные требования к оборудованию и инструменту для изготовления тонкостенных деталей штамповкой кристаллизующегося металла.

Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и содержит 117 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 12 таблиц и библиографию из 66 наименований.

В первой главе дан анализ современного уровня технологии изготовления оребренных деталей из алюминиевых сплавов и сформулированы задачи, подлежащие дальнейшему исследованию.

Во второй главе аналитически решена задача по определению основных параметров технологии изготовления деталей- скорости заполнения жидким металлом формообразующих полостей штампа и температуры заливаемого металла.

В третьей главе исследовано влияние различных параметров технологического процесса - температуры плавления и заливки жидкого металла, давления на жидкий металл при заполнении формообразующих полостей штампа, скорости заполнения этих полостей, а также приведены результаты по изготовлению методом штамповки кристаллизующегося металла опытных образцов деталей -стакана и корпуса прибора. В этих деталях толщина стенки (ребра) составляла 0,9.2 мм, а отношение высоты стенки к ее толщине 30.50.

В четвертой главе на основании проведенных работ с учетом накопленного другими исследователями и организациями опыта сформулированы основные параметры технологического процесса изготовления методом штамповки кристаллизующегося металла деталей с высокими тонкими ребрами из алюминиевых сплавов.

По теме диссертации опубликованы две статьи в научно-технических журналах.

Общие выводы

В результате выполненной работы можно сделать следующие выводы:

1. На основании анализа и обобщения существующих технологических процессов, теоретических и экспериментальных данных об изготовлении изделий штамповкой кристаллизующегося металла и данных в смежной области - литья под давлением установлено:

1.1. Высокоэффективная штамповка кристаллизующегося металла в достаточной степени развита применительно к массивным, в том числе толстостенным изделиям. Для целого класса тонкостенных оребренных изделий, с отношением высоты стенки к толщине более 30 и толщине стенки менее 2-х мм, информации о рациональной технологии крайне недостаточно. Это препятствует развитию процесса и вынуждает применять более дорогостоящие и менее эффективные технологии горячей объемной штамповки.

1.2. При разработке технологического процесса штамповки изделий с тонкими ребрами следует стремиться к закрытой штамповке и приложению давления не менее 200-250 МПа непосредственно к жидкому металлу. В возникающем силовом поле кристаллизация происходит по всему объему металла. Образуется мелкозернистая бездефектная структура с повышенными до 30% механическими свойствами.

2. Выполнен теоретический анализ процесса закрытой штамповки из жидкого металла на примере изготовления изделия типа «стакан». Получены зависимости, позволяющие выбрать рациональные технологические параметры - скорость движения пуансона, температуру заливки, температуру нагрева металла, время выдержки под давлением, обеспечивающие получение изделия удовлетворительного качества. Установлено, что:

2.1. Доминирующее влияние на процесс формообразования изделия оказывает скорость течения жидкого металла в каналах, зависящая в основном от площади сечения канала и скорости пуансона.

Для рассматриваемого изделия - стакана с толщиной стенок S=0,9-2 мм и высотой 58 мм, расчетное значение скорости vK течения жидкого металла навстречу пуансону, обеспечивающее заполнение полости без затвердевания составляет 3,5 м/с для S = 0,9 мм и 1,65 м/с для S = 2 мм, а время заполнения не превышает 0,02с при температуре заливки Тзал = 973К и температуре предварительного подогрева штампа Тш = 523К.

2.2. При тех же параметрах Тш и скорости обратного течения жидкого металла 1,65.3,5 м/с увеличение температуры заливки с 973К до 1093К приводит к увеличению высоты стенки всего на 1013%.

3. Спроектирован и изготовлен инструмент и выполнены экспериментальные исследования технологических параметров штамповки изделия типа «стакан» с толщиной стенок 0,9; 1,2; 1,5 и 2 мм и высотой 58 мм и аналогичного изделия, но с бобышкой и ребрами внутри.

Расхождение между расчетными и экспериментальными данными по скоростям движения металла в каналах, температурами заливок и времени выдержки под давлением не превысило 20.25%.

Различие обусловлено, в первую очередь, тем, что при расчетах не учитывалось влияние смазочных материалов на процесс теплопередачи.

4. Выполнен анализ эффективности смазочных материалов, применяемых при штамповке кристаллизующегося металла.

Установлено, что при изготовлении тонкостенных изделий из алюминиевого сплава АК12М2МгН целесообразно применять смазку ВНИЙНП 232, наносимую на пуансон, и водный раствор коллоидного графита ПСВ, наносимый на матрицу. При этом обеспечивается гарантированное извлечение изделия без задиров на поверхностях.

5. Разработана и научно обоснована технология штамповки изделий с тонкими высокими ребрами непосредственно из жидкого металла. Определены основные требования к оборудованию и инструменту, обеспечивающие получение изделий удовлетворительного качества.

Показано, что при штамповке осесимметричных изделий с толщиной стенки 0,9.2 мм и высотой стенки до 60 мм скорость vK=l,65.3,5 м/с, температура ТЗАл = 973К, Тщ = 523К и время выдержки т = 8. 10с, при давлении 200-250 МПа, явились оптимальными.

6. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, использованы предприятием ООО «Техком-Старт» при изготовлении тонкостенных изделий штамповкой кристаллизующегося металла и могут служить основой для разработки технологических процессов подобных изделий и создания соответствующего специализированного оборудования. in

1. М.В. Сторожев, Е.А. Попов. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977, -423с.

2. В.П. Романовский. Справочник по холодной штамповке. М.: Машгиз, 1959, -648 с.

3. JI.A. Шофман. Основы расчета процессов штамповки и прессования. М.: Машгиз, 1961, -340с.

4. В.В. Жолобов, К.Н. Богоявленский, М.Е. Зубцов, А.Д. Ландихов, Е.М. Лекаренко, Н.Н. Постников. Обработка цветных металлов и сплавов давлением. М.: Государственное научно-техническое издательство по черной и цветной металлургии, 1955, -486с.

5. А.Ф. Белов, Б.В. Розанов, В.П. Линц. Объемная штамповка на гидравлических прессах. М.: Машиностроение, 1971, -214с.

6. О.А. Кайбышев. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975, -229с.

7. М.Т.Хацинский, И.Д. Казаков. Горячая штамповка алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1964, -181с.

8. Н.М. Голдин, Д.Ф. Чернега, Д.Ф. Иванчук, Ю.В. Моисеев, В.В. Чистяков. Цветное литье справочник. М.: Машиностроение, 1989, -527с.

9. Н.С. Постников, А.В. Мельников. Производство литых алюминиевых деталей. М.: Металлургия, 1979, -135с.

10. М.Б. Беккер, М.Л. Заславский, Ю.Ф. Игнатенко, Р.А. Короткое, В.Я. Невзоров. Литье под давлением. М.: Машиностроение, 1990, -398с.

11. А.К. Белопухов. Технологические режимы литья под давлением. М.: Машиностроение, 1985, -270с.

12. Т.Н. Липчин. Получение заготовок поршней литьем с кристаллизацией под давлением. Пермское отделение Томского университета, 1991, -135с.

13. В.М. Пляцкий. Штамповка из жидкого металла. М.: Машиностроение, 1979.

14. А.И. Батышев, Е.М. Базилевский, В.И. Бобров, Ф.Н. Мартынов, Ю.А. Евстратов. Штамповка жидкого металла (литье с кристаллизацией под давлением). М.: Машиностроение, 1979, -200с.

15. Создание промышленной технологии производства методом жидкой штамповки заготовок поршней двигателей нового поколения. Отчет. М.: ВНИИМЕТМАШ, 1997.

16. И.А. Андрощенко , В.А. Сапрыкин, Д.М. Здобин, Д.М. Черемных. Опыт внедрения штамповки поковок из жидкого металла ЛДНТП, 1978, -52с.

17. Судзуки Сидзую. Жидкая штамповка. Киндзоку, 1974, т-44 № 6, с.62.65.

18. Судзуки. Штамповка из жидкого металла. Киндзоку, Дзаире, 1975, т.15 № 2, с.10.,.12.

19. Жидкая штамповка перспективный технологический процесс литья - squeeze forming - close to becoming recognized production route. Prod Eng (Gr.Brit) - 1982, т-62 № 12, -44-45.

20. С. Beneduk. Squeeze Casting: Combining Forging Properties and large casting. Design Engineering, 1975, № 2, -c.21.

21. И.А. Ненаездников. Изготовление деталей из цветного металла методом жидкой штамповки. Сборник «Новое в литейном производстве» вып. 3 Горький, 1960, с.354-374.

22. Авторское свидетельство СССР № 1577916 МКИ В22Д 18/02. Способ жидкой штамповки.

23. Авторское свидетельство СССР № 1375406 МКИ В22Д 18/02. Устройство для литья с кристаллизацией под давлением.

24. Авторское свидетельство СССР № 1502183 МКИ В22Д 18/08. Способ литья с кристаллизацией под давлением.

25. Патент Российской Федерации № 2060140 МКИ В23Р 15/10, В21К 1/18. Способ изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления.

26. Патент Российской Федерации № 2093301 МКИ В22Д 18/04, В223Р 15/180. Способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания.

27. Патент Российской Федерации № 2093300 МКИ В22Д 18/04, В23Р 15/10. Комплекс оборудования для изготовления армированных деталей, в том числе поршней двигателей внутреннего сгорания методом литья с кристаллизацией под давлением.

28. Патент Российской Федерации № 2142354 МКИ В22Д 18/02,17/12. Способ изготовления деталей методом литья с кристаллизацией под давлением и устройство для его осуществления.

29. Авторское свидетельство СССР № 624713 МКИ В22Д 27/12. Способ жидкой штамповки тонкостенных отливок.

30. Авторское свидетельство СССР № 445522 МКИ В22Д 27/12. Способ штамповки из жидкого металла.

31. Авторское свидетельство СССР № 1076188 МКИ В22Д 18/12. Способ литья с кристаллизацией под давлением.

32. Заявка 31-34398 Япония МКИ В22Д 18/12. Способ литья с кристаллизацией под давлением.

33. Патент 55-36030 Япония МКИ В22Д 18/02. Жидкая штамповка.

34. Патент 49-36093 Япония МКИ В22Д 17/00. Способ жидкой штамповки.

35. Патент 40-49040 США МКИ В22Д 27/12. Способ литья с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка) и аппаратура для его осуществления.

36. Патент ФРГ № 1210301 МКИ В21К 1/18. Способ изготовления деталей жидкой штамповкой.

37. Патент Великобритании № 2163072 МКИ В23Р 15/10. Жидкая штамповка.

38. Н.Г. Колосенок. Изготовление тонкостенных деталей методом жидкой штамповки из алюминиевых сплавов. М.: ЦНИИатоминформ, 1981, № 6, с. 18. 19.

39. Патент Польши № 154206 МКИ В22Д 17/03. Способ жидкой штамповки металла и устройство для его осуществления.

40. Способ изготовления деталей методом литья с кристаллизацией под давлением. Реферативный журнал «Технология машиностроения», № 4,1983, реферат 4Г332П.

41. Авторское свидетельство СССР № 1440014 МКИ С10М 145/08. Технологическая смазка при жидкой штамповке металла.

42. Г.И. Тимофеев. Механика сплавов при кристаллизации слитков и отливок. М.: Металлургия, 1977, -160с.

43. П.Н. Бидуля. Производство стали и стального литья. Труды ВМИ, выпуск 5. Металлургия, 1967.

44. М.А. Файн, А.В. Моравский, В.А. Лобаков, В.А. Крылов. Применение керамики в автомобильных двигателях зарубежными фирмами. Обзорная информация. М.: НИИТавтопром, 1984, -47с.

45. В.П. Горбинов. Тенденции развития конструкции поршненй ДВС. Автомобильная промышленность США, 1984, № 8, с.30.34.

46. Б.Е. Победря. Механика композиционных материалов. М.: Машгиз, 1978.

47. Н.С. Ачеркан. Справочник машиностроителя, том 2. М.: Машиностроение, 1960, -740с.

48. Н.И. Яловой, М.А. Тылкин, П.И. Полухин и Д.И. Васильев. Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением. М.: Высшая школа, 1973, -631с.

49. Энциклопедический справочник «Машиностроение», тб. М.: Машиностроение, 1947, -548с.

50. ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

51. В.В. Синицын. Пластичные смазки и твердые смазочные покрытия. М.: Химия, 1969, -323с.

52. Сертификат качества на препарат коллоидно-графитовый водный ПСВ. ОАО «Воскресенские минеральные удобрения», 1999, -1с.

53. В.И. Безпалько и В.Б. Лившиц. Исследование заполняемости форм при литье с кристаллизацией под давлением (литье и кристаллизация магниевых и алюминиевых сплавов под давлением). Пермь, Пермский политехнический институт, 1980, с.121.123.

54. Авторское свидетельство СССР № 1173619 МКИ В22Д 18/02. Направляющий узел штампа для горячей штамповки.

55. И.И. Новиков. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. М.: Наука, 1966, 298с.

56. JI.B. Никулин, В.Н. Янчук и И.В. Лукаш. Снижение горячеломкости цветных сплавов наложением давления при кристаллизации. Литейное производство № 4, 1977, с.13. 15.

57. П.И. Полухин, Г.Я. Гун, А.М.Галкин. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1976, 487с.

58. Ю.П. Кирдеев, И.Я. Белопухов, А.И. Ракогон. Изготовление деталей с высокими тонкими стенками штамповкой кристаллизующегося алюминия. Кузнечно-штамповочное производство №3, 2002.

59. Ю.П. Кирдеев, В.В. Зимин, А.В. Гришин. Оценка внешнего давления на заготовку при штамповке изделий из кристаллизующегося алюминия. Кузнечно-штамповочное производство № 11, 2000.60 .А.И. Вейник. Теория затвердевания отливки. М.: Машгиз, 1960, 435с.

60. Д.И. Белый, А.Г. Спасский. Труды Московского вечернего металлургического института, 1969, № 8, с.98-104.

61. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1975, 255с.

62. Х. Нильсен ред. Алюминиевые сплавы. Справочник. М.: Металлургия, 1975 ,679с.

63. А.И. Ракогон. Оценка формообразования высоких тонких ребер при штамповке кристаллизующегося металла. Кузнечно-штамповочное производство №9, 2002.

64. М. Смирнов. Обработка металлов давлением в состоянии сверхпластичности. М.: Машиностроение, 1979 182с. 66.Л.П. Филиппов. Свойства жидких металлов. М: Издательство МГУ, 1988 200с.1. ООО ТЕХКОМ-СТАРТ

65. YI, Московская обл., Тел.: (0967) 37-45-34пухов, • Тел./факс: (0967) 75-72-36эпевая, 3-а1. СПРАВКА

66. Наша организация изготавливает различные изделия из заготовок, полученных штамповкой кристаллизующегося металла.

67. В качестве материала для этих деталей используются алюминиевые сплавы, в том числе сплав АК12М2МгН (AJI25).