» » Смазки для калибрования радиальным обжатием
15.01.2015

С применением смазки при обработке металлов радиальным и ротационным обжатием уменьшается необходимое усилие, улучшается качество поверхности и увеличивается срок службы инструмента Обычно в качестве смазки для холодной обработки используют машинное масло. Процесс горячего деформирования обычно осуществляют без смазки, однако для обработки полуфабрикатов из высокопрочных сталей и титановых сплавов при повышенных температурах с целью увеличения стойкости инструмента применяют смазки.
Одно из основных требований, предъявляемых к смазке для теплой обработки (600—800 °С) — создание надежного разделительного слоя между поверхностью инструмента и изделия. Экранирующая способность такого слоя зависит от реологических свойств смазки и режимов обработки.
Отличительной особенностью процесса калибрования тонкостенных профилей радиальным обжатием на прессах с пульсирующим приложением нагрузки является неоднократное нагружение в зоне вновь образованной поверхности. Это обусловливает более высокие требования к экранирующей способности технологической смазки, чем при волочении. Так, рациональные составы смазок на основе графита, смеси солей сернокислого кадмия, буры и талька, разработанные применительно к калибровке волочением, оказались неприемлемыми для калибрования пульсирующим нагружением, так как в условиях высоких температур и многократных ударов инструмента с частотой 5—20 Гц в зоне деформации смазочная пленка разрушается. Кроме того, добавки, вводимые в смазку с целью повышения ее термостабильности, в процессе деформации внедряются в поверхность профиля, образуя вмятины.
Комплекс требований, предъявляемых к смазке вследствие особенностей процесса теплого калибрования, неоднозначно определяет необходимые реологические свойства и, следовательно, состав смазки. В частности, для обеспечения высокого качества поверхности калибруемого профиля необходимо, чтобы процесс обработки осуществлялся в условиях граничного трения и при весьма тонком слое смазки. Однако с целью снижения износа инструмента, уменьшения тепло-потерь и энергозатрат желательно, чтобы процесс протекал в условиях жидкостного трения, что может быть достигнуто только при достаточно толстом слое смазки. Следует отметить, что смазочный слой должен обладать термостабильностью, повышенной адгезией к поверхности металла и высокими антифрикционными и противозадирными свойствами в условиях приложения ударных нагрузок при величине рабочих напряжений до 1000 МПа и многократных ударах инструмента с частотой колебания 5—20 Гц.
Для оценки поведения смазочного слоя при радиальном обжатии необходимо знать распределение касательных напряжений в приконтактном слое металла. Механические свойства приконтактного слоя обрабатываемого профиля и их изменение в процессе деформации обусловливаются степенью деформации сдвига A и интенсивностью деформации H. Эти характеристики вместе с кривыми упрочнения позволяют качественно оценивать степень деформационного и скоростного упрочнения.
Степень деформации сдвига обрабатываемого материала вблизи контактной поверхности рассчитывается по формуле
Смазки для калибрования радиальным обжатием

где т — время деформации.
Учитывая, что при малых значениях угла α tg2 α≈0, выражение (3.38) по определению H можно упростить
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Подставляя выражение (3.73) в (3.72), получим
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Учитывая, что vh = Aω cos [ωт—φ), а пределы интегрирования составляют тк=1/v и тн=1/ω [arc sin (t/A tg a-1) + φ], получаем
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Ha рис. 58 приведены кривые изменения степени деформации сдвига Л вблизи контактной поверхности вдоль длины очага деформации для двух толщин полок профилей. На рисунке видно, что сдвиговая деформация интенсивно возрастает к выходу из очага деформации, причем на толстых полках эти значения ниже. Таким образом, при калибровании разнотолщинных профилей деформационные условия обработки поверхностных слоев полок профилей неодинаковы. Это объясняется прежде всего тем, что при калибровании профилей с разной толщиной полок в единицу времени при постоянном шаге подачи в очаг деформации поступают неравные объемы металла. Равенство интенсивности сдвиговой деформации по полкам профиля достигается, когда шаг подачи для каждой полки профиля будет соответствовать своей толщине.
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Такой характер изменения величины А соответствует изменению толщины смазочного слоя. Установлено, что при калибровании разнотолщинных профилей толщина смазочного покрытия после калибрования по полкам профилей неодинакова: чем больше разнотолщинность профиля, тем различие в толщине слоя смазки после калибровки больше.
Так как процесс радиального обжатия происходит в условиях пульсирующего нагружения, то возникает необходимость в определении зависимости между цикличностью нагружения и силами контактного трения. Из выражения (3.75) следует, что с увеличением частоты пульсации инструмента снижается степень деформации сдвига. К такому же выводу можно придти, если рассмотреть импульс сил трения в очаге деформации
Смазки для калибрования радиальным обжатием

где N — сила, нормальная к элементарной площадке контактной поверхности; N0f0 - усредненная сила трения.
Подставим в (3.76) значения тн и тк, получим
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Следовательно, силы трения уменьшаются тем значительнее, чем выше частота нагружения. Поэтому высокие смазочные свойства не всегда могут дать положительный эффект при калибровании радиальным обжатием. С этим связано снижение производительности процесса калибровки вследствие изменения соотношений зон опережения и отставания в очаге деформации и, как следствие, потери тепла в очаге деформации и рост сопротивления деформации. В связи с этим целесообразно основное внимание уделить теплоизолирующим свойствам смазки.
Рассмотрим влияние реологических свойств смазки, температуры, степени и скорости деформации при калибровке титановых профилей с пульсирующим приложением нагрузки на толщину слоя смазки, состоящего из твердого наполнителя на основе графита и вязкой фазы на основе водных растворов неорганических солей. Смазки, включающие такие ингредиенты, наиболее пригодны для теплого калибрования.
Введение в смазку твердых наполнителей заметно повышает ее вязкость, которая оказывает решающее влияние на толщину слоя смазки, формирующегося в процессе деформации. Кинетическая вязкость графитсодержащих смазок определена на вискозиметре BHXC при 100 °C. Зависимость кинематической вязкости от содержания графита показана на рис. 59, из которого следует, что, начиная с концентрации графита 35—37 %, вязкость смазки резко повышается.
Смазки для калибрования радиальным обжатием

В качестве наполнителя в смазке был опробован графит различных марок: коллоидальный с частицами размером 1—4 мкм и кристаллический с частицами размером 40—250 мкм. Было установлено, что наиболее ровное и термостойкое покрытие на поверхности образцов металла получается при использовании в солевых смазках сочетания графитов — коллоидального и кристаллического с частицами размером до 4 мкм и 200 мкм соответственно. Это обеспечивается введением в смазку графитов марки С-1 (коллоидального) и марки ГСМ-21 (кристаллического) в соотношении 27:10.
Повышение термостабильности смазочной пленки достигается за счет графита с частицами размером более 200 мкм, что объясняется резким уменьшением площади окисления на более крупных частицах. Повышенная адгезионная способность определенной смеси графитов достигается за счет применения коллоидального графита. Мельчайшие частицы коллоидального графита более прочно сцепляются с металлической поверхностью и образуют в соответствии с ее микрорельефом тонкий и прочный смазочный слой. Помимо этого, были проведены эксперименты по замене графита в смазке на другие термостабильные наполнители. В качестве наполнителя были использованы слюда, нитрид бора, TiO2, ZnO. Однако по смазочным свойствам такие наполнители значительно уступали графиту и внедрялись в поверхность готовых изделий.
Следует отметить, что не только рациональное количество твердого наполнителя, но и состав вязкой фазы оказывали существенное влияние на несущую способность смазочного слоя и его термостабильность. Состав и количество вязкой фазы влияют на жидкотекучесть смазочного слоя, что особенно важно для процесса пластического формоизменения при радиальном обжатии, осуществляемом со свободным вытеканием смазки. На основе экспериментов установлено, что наилучшим связующим, обеспечивающим смачивание поверхностей заготовок из титановых сплавов, является смесь солей: тетраборнокислый натрий (Na2B4O7*10 H2O), борнокислый натрий (мета) (NaBO4*4H2O), борконислый натрий-литий (мета) [NaLi(BO2)2*4H2O], титановокислый натрий (мета) (Na3TiO3) в соотношении 4:5:1:1; температуры плавления этих солей соответственно 741, 840, 966, 1030 °C.
Следует отметить, что в условиях высокотемпературной обработки экранирующая способность смазки в значительной степени определяется теплоизолирующими свойствами компонентов. Графит — хороший проводник тепла и по теплопроводности занимает промежуточное место между алюминием и мягкой сталью. Кроме того, теплопроводность углеграфитовых материалов и ее анизотропия зависят от степени дисперсности структуры. Поэтому для снижения теплопроводности и соответственно повышения экранирующей способности смазочного слоя в состав смазки включены неорганические соли, теплопроводность которых в 100—200 раз ниже, чем графита. Неорганические соли вводят в количествах, необходимых для полного обволакивания частиц графита и обеспечения высокого термического сопротивления. Попытка использовать для этой цели легкоплавкие стекла, обладающие весьма низкой теплопроводностью, оказались неудачными, так как при их содержании более 10 % смазка приобретала повышенную жидкотекучесть и теряла смазочную способность. В результате при нагреве заготовки смазка слабо удерживалась на поверхности и легко выдавливалась из зоны деформации.
Изменяя состав экспериментальных смазок в лабораторных условиях, определяли влияние того или иного наполнителя или сочетания нескольких наполнителей на свойства технологических смазок. На основе проведенных экспериментов был оптимизирован состав смазки для калибровки радиальным обжатием титановых профилей при 600—800 °С, % (по массе):
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Для оценки разработанной смазочной композиции были определены расчетные значения контактного трения (табл. 26) с использованием методики, изложенной в разделе. Полученные значения коэффициента трения находятся в пределах 0,24—0,103. Верхнее значение соответствует условиям непрерывной осадки, так как (L+t)/Scp≤4. С увеличением степени деформации, когда возрастает параметр (L+t)/Scp коэффициент трения снижается почти в 2 раза, что обусловлено пульсирующим характером нагружения.
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Для оценки условий формирования смазочного слоя при пульсирующем нагружении исследовалась толщина смазочной пленки до и после калибрования. Проведенный анализ показал, что толщина покрытия после калибрования неодинакова и зависит от степени деформации. На рис. 60, а представлен график изменения толщины смазочной пленки от степени деформации. Увеличение обжатия при калибровании приводит к росту нормальных рабочих напряжений в деформационной зоне и, как результат, к уменьшению толщины смазочной пленки. Интенсивность утонения смазочной пленки по мере роста степени деформации снижается.
Проведенные измерения показали, что толщина смазочной пленки по ширине полки в направлении к радиусу сопряжения уменьшается (рис. 60, б), увеличивается к кромкам полок профиля. Это может быть объяснено как характером распределения напряжений по ширине полки профиля, так и течением металла в поперечном направлении.
Как показали исследования при наложении растягивающего усилия, когда уширение отсутствует, толщина смазочной пленки увеличивается. Это объясняется снижением радиальных напряжений и, соответственно, уменьшением выдавливания смазки из очага деформации.
Следует отметить, что с повышением температуры толщина смазочного слоя уменьшается и соответственно снижается его экранирующая способность (рис. 61). Это объясняется тем, что неорганические слои, входящие в состав смазки, оказывают значительное влияние на ее реологические свойства (вязкость) при изменении температуры деформации.
Смазки для калибрования радиальным обжатием

Толщина смазочной пленки зависит также от толщины полки профиля. Замечено, что на тонкой полке слой всегда меньше, чем на толстой. Это может быть объяснено тем, что относительное обжатие и величина сдвиговой деформации на тонкой полке всегда выше, чем на толстой.
Таким образом, на толщину смазочного слоя и его распределение по контуру профиля влияет ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе состава смазки и рациональных режимов обработки. В исследованном интервале температур 600—800 °C толщина слоя смазки на профиле после калибрования составляет 20—40 мкм и полностью перекрывает высоту микронеровностей на прессованной заготовке, обеспечивая надежное экранирование контактирующих поверхностей. Средняя высота микронеровностей после калибровки с нагревом профилей из титановых сплавов составляет ~ 8,7 мкм, а после снятия альфированного слоя травлением увеличивается до 11 мкм.