» » Схемы получения заготовок
14.01.2015

В мировой практике профили высокого качества изготавливают по технологической схеме, включающей получение фасонных заготовок способами горячего деформирования — горячей прокаткой, горячим прессованием (основное формоизменение металла) и последующую холодную деформацию за один — три перехода волочения или холодной прокатки. Такая технологическая схема при рациональных параметрах процессов обеспечивает достаточно высокое качество заготовки и готовых изделий.
По данным экономических исследований, проведенных в ФРГ, целесообразно прокатывать профили на промышленных станах при годовой потребности не менее 20 т. Такой же вывод был сделан советскими специалистами при анализе экономических показателей прокатки и горячего прессования.
Обычно горячую прокатку фасонных профильных заготовок под последующий передел осуществляют за 3—5 переходов; при использовании фасонного проката возможно сократить число переходов волочения с 6—7, которые требуются для получения профиля из круглой заготовки, до 2—3, сложных профилей малыми партиями подтверждается отечественным и зарубежным опытом, так как при этом уменьшение средней мессы партии профилей мало влияет на производительность процесса, расход инструмента, а, следовательно, и на Себестоимость продукции. Разработка технологии получения профилей способом горячего прессования была связана с решением ряда сложных вопросов: обеспечение стойкости прессовых матриц путем применения защитного керамического покрытия их рабочей поверхности, наносимого методом плазменного напыления; разработка составов смазок для изготовления технологических шайб; профилирование контура канала матрицы; создание жестких прессовых наладок и ряд других.
Прессование профильных заготовок под калибрование из высокопрочных сталей и титановых сплавов обычно осуществляют на горизонтальных гидравлических прессах, питаемых от насосно-аккумуляторной станции. Отличительная особенность этих прессовых установок состоит в обеспечении процесса прессования в диапазоне скоростей истечения от 100 до 400 мм/с. Усилие пресса выбирают в зависимости от сопротивления деформации прессуемого металла, площади поперечного сечения и длины пресс-изделия, а также конфигурации его поперечного сечения.
Для прессования профилей используют литые, прессованные, кованые, катаные круглые заготовки. Размеры заготовок для прессования выбирают с учетом припуска на механическую обработку. Передний конец заготовки выполняют с радиальной фаской, необходимой для облегчения задачи заготовки в контейнер И плавного сопряжения ее торца со смазочной шайбой. Ниже приведены рекомендованные значения допусков на размеры заготовки:
Схемы получения заготовок

Только минусовый допуск для заготовок диаметром 95—115 мм объясняется малой резностью между диаметрами контейнера и заготовки. При симметричном допуске в условиях высокотемпературного нагрева заготовки и нанесения на нее смазки возможны затруднения при вводе заготовки в контейнер. Длина заготовки определяется требуемой длиной профиля с учетом вытяжки при калибровании, а также технологических отходов не вырезку образцов для механических испытаний, контроля макроструктуры и на осуществление захвата профиля при правке на растяжной машине и калибровке волочением.
Перед прессованием заготовки подвергают контролю. На поверхности заготовок не допускаются дефекты в виде раковин, пузырей, трещин, расслоений, заковов, видимых невооруженным глазом. Шероховатость поверхности при обточке заготовок не должна превышать Rz20. Перед прессованием на заготовки наносят смазку. Для прессования титановых заготовок смазкой служит шликер, который представляет собой водную суспензию дисперсной стеклокрупки и бентонита. Шликер не только служит смазкой при прессовании, но и защищает поверхность заготовки от окисления при длительной выдержке в печи. Шликер обычно наносят на боковую поверхность заготовки за 30—60 мин до начала нагрева. При прессовании заготовок из высокопрочных сталей смазку на боковую поверхность заготовки наносят путем обкатки нагретых до температуры прессования заготовок по стеклокрупке. В качестве смазки рабочей поверхности матрицы применяют технологические смазочные шайбы, изготовленные из просеянного и сепарированного доменного шлака и стеклокрупки. Смазочные шайбы изготавливают в специальных пресс-формах по форме переднего торца заготовки. Смазки для прессования стальных профилей приведены в табл. 3.
Схемы получения заготовок

Прессование заготовок из титановых сплавов в матрицы с теплозащитным напыленным покрытием осуществляют без использования технологических смазочных шайб.
Для нагрева заготовок перед прессованием применяют индукционные печи повышенной частоты, обычно с вертикальным индуктором, в которые можно загружать и нагревать одновременно две—три заготовки. В некоторых случаях ведут комбинированный нагрев: нагревают заготовку в индукционной печи и выравнивают ее температуру в электропечи сопротивления. Техническая характеристика нагревательных печей приведена в табл. 4.
Схемы получения заготовок

Контроль температуры нагрева заготовок в индукторе осуществляют радиационным пирометром. Режим нагрева заготовок из стали и титановых сплавов для прессования профильных заготовок представлен в табл. 5.
Схемы получения заготовок

Продолжительность индукционного нагрева заготовок перед прессованием зависит от их диаметра и тепловых характеристик нагреваемого материала:
Схемы получения заготовок

Помимо нагрева заготовок перед прессованием, нагревают инструмент в печах сопротивления: пресс-шайбу, пресс-штемпель и мундштук — до 300—400 °С, втулку контейнера для прессования титановых профилей — до 400—480 °С, для' прессования стальных профилей — до 300—450 °С.
Матрицы, напыленные теплозащитным слоем диоксида циркония, перед прессованием не подогревают. Это вызвано тем, что напыленный слой и материал матрицы имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения, и при нагреве матрицы снижается адгезия напыленного слоя к материалу матрицы, а иногда в напыленном слое образуются трещины, что делает матрицу непригодной для прессования. Матрицы без теплозащитного покрытия подлежат подогреву до 250—350 С. Заготовку задают в контейнер пресс-штемпелем и не доводят до торца матрицы на 30—50 мм, что позволяет сократить время контакта нагретой заготовки с холодной матрицей. Время переноса заготовки из печи в контейнер пресса не должно превышать 25 с. Для обеспечения стойкости инструмента при прессовании профилей из титановых сплавов и стали продолжительность прессования не должна превышать 8—10 с. При этом скорость рабочего хода главного плунжера при прессовании профилей из титановых сплавов должна быть 20—40 мм/с, для прессования стальных профилей 50—300 мм/с.
Во время прессования высоту пресс-остатка назначают в зависимости от диаметра контейнера:
Схемы получения заготовок

Отпрессованные профильные заготовки имеют шероховатость поверхности 20 мкм, допуск на толщину полки профиля зависит от общей вытяжки при последующих калибровочных операциях и от заданной точности профилей.
He примере профиля типа "тавр" определим поле допуска на прессованную заготовку. Предположим, что этот профиль имеет одну полку толщиной A0 с полем допуска +а'0-a"0 и вторую полку толщиной В0 с полем допуска +b'0-b''0. Тогда размеры толщин полок заготовки по отношению к номинальному размеру изменяются в следующих пределах:
Схемы получения заготовок

Изменение общей вытяжки при калибровании полок профилей в условиях плоской схемы деформации на конечные размеры Ak и Bk составит:
Схемы получения заготовок

Следовательно, общая вытяжка находится в пределах
Схемы получения заготовок

Принимая во внимание равенство вытяжек по полкам профиля при крайних отклонениях, можно записать
Схемы получения заготовок

Следует заметить, что, несмотря на различие вытяжек по полкам профиля, в процессе калибрования происходит их выравнивание вследствие взаимодействия связанных между собой элементов. В результате все полки профиля получают среднюю вытяжку, которая определяется как отношение площадей поперечного сечения профиля до и после калибровки: μср = (fаμа+fbμb)/(fa+fb), где fа, fb — площадь поперечного сечения полок профиля Ak и Bk; μa,μb — вытяжки по полкам профиля А и В.
В случае, когда полки прессованного профиля имеют крайние отклонения, т.е.
Схемы получения заготовок

номинальная вытяжка при калибровании будет находиться в пределах
Схемы получения заготовок

Принимая во внимание (1.1), (1.3), (1.4) и учитывая то обстоятельство, что полки с минимальным плюсовым отклонением при калибровании не имеют утяжки и что толщина полок калиброванных профилей должна находиться в пределах
Схемы получения заготовок

Схемы получения заготовок

В уравнениях (1.5), (1.6) из равенства вытяжек получим
Схемы получения заготовок

Решая уравнение (1.7) относительно а'0, а''0 и принимая во внимание (1.2), получим
Схемы получения заготовок

Таким образом, допуск на заготовку зависит от толщины полки профиля, соотношения толщин полок профиля, вытяжки при калибровании. В случае, когда профиль имеет несколько полок, поле допуска на прессованную заготовку определяется из расчета по полке, имеющей минимальную толщину. На рис. 2 представлен график допусков на исходную заготовку в зависимости от величины вытяжки при калибровании и толщины полки профиля.
Несмотря на значительный прогресс в технологии прессования, себестоимость профильной продукции высока. Среди недостатков технологии, прессования — значительные затраты на прессовый инструмент, поскольку теплозащитный слой диоксида циркония, напыляемый плазменным способом на рабочую поверхность матрицы из стали (4Х4ВМФС, ЗХ2В8Ф), позволяет выполнить только одну доброкачественную прессовку. Затем необходимо провести пескоструйную обработку матрицы до полного удаления теплозащитного слоя, восстановить рабочие поверхности матрицы, вновь нанести слой диоксида циркония и осуществить доводку рабочего канала. Это значит, что для каждого профиля необходимо иметь значительный парк прессовых матриц, а также затрачивать при подготовке инструмента большой объем квалифицированного труда рабочих-инструментальщиков. Из-за однократности использования матрицы затрудняется также получение стабильных размеров поперечного сечения прессуемых профилей.
Схемы получения заготовок

Схемы получения заготовок

Схемы получения заготовок

Один из путей резкого снижения затрат на прессовый инструмент — увеличение в 2—3 раза общих обжатий на калибровочных операциях; что позволит прессовать профильную заготовку с утолщенными в 1,5—2 раза элементами поперечного сечения. При этом можно использовать прессовые матрицы из сплава ЖС6, не требующие плазменного напыления, значительно уменьшить число прессовок на тонну годного профиля и сократить число потребных матриц. Поэтому при разработке технологического цикла производства тонкостенных профилей важное место занимает процесс прессования заготовки под калибрование, так как именно прессованием во многом определяется экономическая целесообразность всего цикла изготовления профилей. В связи с этим возникает необходимость в определении рациональности использования при прессовании матриц из сплава ДИ22 или ЖС6, которая, очевидно, будет определяться стойкостью и стоимостью инструмента.
Анализ статистических данных показал, что матрица из сплава 4Х4ВМФС в среднем выдерживает 7—17 циклов прессования. Нижние значения стойкости относятся к прессованию из контейнера диаметром 95 мм с повышенной вытяжкой (μ=60); верхние значения — к прессованию из контейнера диаметром 150 мм профилей, имеющих полки толщиной более 3 мм, с вытяжкой 25—30. В табл. 6 приведены данные статистической обработки стойкости матриц.
Схемы получения заготовок

Исследование износа литых матриц из сплава ЖС6 показало, что размеры каналов матрицы, а также размеры самих профилей по сравнению с этими размерами после первой прессовки значительно меньше (рис. 3). Профили наиболее стабильных размеров получаются из новых матриц не более чем после 10 прессовок, далее, особенно на элементе S1, наблюдается значительное увеличение размеров. Следует отметить, что в процессе прессования осадка и износ матрицы также происходят неравномерно: наиболее интенсивный износ испытывают полки S1 и S3. Сужение канала матрицы по полкам S1 и S3 осуществляется плавно до 8—10 прессовок, при последующих прессовках происходит увеличение размеров элементов, причем наиболее сильно изнашиваются каналы матрицы элемента S3.
В целом результаты экспериментов показали перспективность использования матриц из сплава ЖС6 при прессовании заготовок под калибровку. Рациональное число прессовок из новых матриц составляет 10—12; из матриц после ремонта и восстановления с учетом плюсовых полей допусков на' прессованную заготовку — 5—8 прессовок.
В табл. 7 приведено изменение размеров матрицы из сплава ЖС6 после восстановления их сплавом ВЗК при прессовании из контейнера диаметром 115 профилей сплава ЭП817ш с вытяжками μ = 16,1 и μ = 23 при 1170—1180 °C.
Схемы получения заготовок

Собранные статистические данные о стойкости матриц из сплава ЖС6 показали, что матрица в среднем выдерживает 60—70 прессовок, при этом на 60— 70 прессовок приходится в среднем 8—10 ремонтов.
При определении рациональности применения матриц необходимо учитывать не только их стойкость, но и стоимость. Так, стоимость матрицы из сплава ЖС6 в 1,3-1,9 раз выше, чем матрицы из сплава ДИ22 с защитным покрытием из диоксида циркония.
В табл. 8 представлены экономические показатели прессования профильных заготовок из разных матриц.
Схемы получения заготовок

Как следует из данных табл. 8, прессование утолщенных профилей под калибровку из матриц ЖС6 позволяет значительно сократить расход инструмента. Экономическую целесообразность применения матриц можно рассчитать по следующей зависимости:
Схемы получения заготовок

где С — число матриц; Ц — стоимость одной матрицы; m — число восстановлений матрицы; S — стоимость восстановительных работ; n — общее число прессовок.
При выборе технологической схемы прессования с учетом имеющегося калибровочного оборудования, в процессе проектирования технологического процесса целесообразно руководствоваться следующим: матрицы из сплава ДИ22 следует применять в тех случаях, когда число прессовок не превышает 100—120 (невелик объем партии), при применении матриц из сплава ДИ22 следует прессовать профили с небольшим припуском под калибровку при толщине полки 1,8—2,0 мм; матрицы из сплава ЖС6 следует применять в тех случаях, когда объем партии велик — число прессовок превышает 100. При этом целесообразно прессовать профили с большим припуском под калибрование при толщине полки более 2,7—3,0 мм; вытяжка при прессовании уменьшается примерно в 1,5 реза, что позволяет снизить рабочие напряжения на пресс-шайбе на 15—20 %.