Технологические основы повышения стойкости полых пуансонов для горячего деформирования осесимметричных поковок

Внедрение в производство прогрессивных процессов обработки материалов давлением, максимально приближающих формы заготовок к формам готовых изделий (прессование, вытяжка, штамповка и др.), имеют большое народнохозяйственное значение, т.к. позволяют значительно сократить потери обрабатываемого материала и снизить затраты на последующую механическую обработку, а также, совместить процессы формообразования с операциями упрочнения металлов и сплавов. Особенно это актуально в массовом производстве осесимметричных деталей типа «стакан».

Повышение производительности кузнечнопрессового оборудования находится в прямой зависимости от увеличения стойкости штампового инструмента. Стойкость штампов — один из показателей экономической эффективности горячей штамповки. Расходы на штамповый инструмент составляют в среднем 15 — 30% от стоимости поковок и наиболее высокие (52% и выше) при горячем прессовании (выдавливании).

Особо остро проблема стойкости штампового инструмента проявляется при производстве корпусных изделий. Низкую стойкость показывают головки прошивных пуансонов (100.600 штамповок), что связано с их крайне тяжелыми условиями эксплуатации. В процессе горячей штамповки в штамповом инструменте формируются остаточные напряжения до 500 МПа, а температура поверхности достигает 500.750°С при циклически меняющихся нагреве и охлаждении. Такое явление порождает процессы термомеханической усталости, которые сопровождаются возникновением и развитием разгарных трещин. Поэтому решение проблемы повышения стойкости штамповой оснастки предопределяет, с одной стороны, оптимизацию режимов штамповки, а с другой, установление закономерностей процессов разрушения материала штампа, работающего в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагружений.

При этом инструмент и заготовка должны рассматриваться как единая многомерная система с комплексом входных и выходных параметров.

Исследования показывают, что наибольшее повышение долговечности штампов горячей штамповки достигается при правильном выборе режимов эксплуатации, марки штамповой стали и режимов её термической, упрочняющей и т. п. обработок. Научно обоснованные режимы термических и упрочняющих обработок можно правильно назначить только после всесторонних исследований закономерностей температурно-силового нагружения и причин, вызывающих появление и развитие трещин и разрушения штампов. Таким образом, дальнейшее развитие исследований температурных условий нагружения, определение остаточных температурных напряжений и обобщение экспериментальных данных с целью разработки научно-обоснованных комплексных методов упрочнения для получения оптимальной структуры, повышающей эксплуатационные характеристики штамповых сталей, представляет большое практическое значение.

Создание высокостойкого штампового инструмента является составной частью народнохозяйственной проблемы — повышения технико-экономической эффективности процессов металлообработки.

Повышение долговечности штамповой оснастки для горячей обработки металлов давлением является важной научной проблемой, об актуальности и необходимости решения которой свидетельствуют Постановления, Решения и Приказы директивных органов. В соответствии с ними Тульским политехническим институтом (ныне — Тульский государственный университет) при непосредственном участии автора в период с 1983 по 2007 г. г. выполнялись хоздоговорные и госбюджетные НИР, в том числе и по федеральной целевой программе НТР.

Для решения проблемы повышения долговечности штампов для горячей обработки металлов давлением актуальными являются решения следующих задач:

1. Установление механизма выхода из строя штампового инструмента.

2. Установление температурно-силовых режимов эксплуатации литых пуансонов для горячей обработки металлов давлением.

3. Оценка величины и характера перераспределения остаточных напряжений и их влияния на закономерности усталостного разрушения литых пуансонов.

4. Исследование кинетики возникновения и роста усталостных трещин в штамповом инструменте для горячей обработки металлов давлением при изготовлении корпусных изделий методом прошивки, при котором головки прошивных пуансонов работают в крайне тяжелых температурно-силовых условиях и имеют низкую стойкость.

5. Разработка комплексной методики исследования, позволяющей оценить эффективность влияния различных видов упрочняющих обработок на разгаростойкость и долговечность литых пуансонов, работающих в условиях циклически меняющихся температурных и силовых нагрузок.

6. Обоснование режимов упрочняющих технологий, обеспечивающих повышение долговечности штампового инструмента.

7. Определение области рационального применения различных видов упрочняющих технологий.

8. Обобщение теоретических и экспериментальных исследований стойкости литых пуансонов, методов упрочнения их материалов, позволяющих повысить долговечность инструмента для горячей обработки металлов давлением.

Цель работы: повышение стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных поковок путем установления взаимосвязей технологических параметров обработки, выбора научно обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.

В соответствии со сформулированной целью и задачами исследования в первом разделе исследуется современное состояние проблемы.

Анализируются основные факторы, влияющие на стойкость штампов горячего деформирования металлов. Подчеркивается актуальность решаемой проблемы, проводится анализ существующих подходов к решению проблемы. Отмечается значительный вклад в теорию обработки металлов давлением и в решение проблемы стойкости штампового инструмента, который внесли учёные Е. И. Вельский, А. Н. Брюханов, В. А. Голенков, A.M. Дмитриев, Г. Закс, Ю. Г. Калпин, В. Д. Кухарь, А. Г. Овчинников, JI.M. Охрименко, JLA. Позняк, Е. А. Попов, В. П. Северденко, Е. И. Семенов, Е. Н. Сосенушкин, И .Я. Тарновекий, А. Д. Томлёнов, Б. Ф. Трахтенберг, М. А. Тылкин, С. П. Яковлев и ряд других исследователей. Показано, что классическая теория не позволяет описать на современном уровне физические процессы, происходящие в инструменте, работающем в сложных условиях термо — силового нагружения. Отмечается, что эта проблема очень сложна и, несмотря на значительное число работ, все еще остается недостаточно исследованной. На основе проведенного анализа публикаций сформулированы ряд направлений и задач, решение которых необходимо для повышение стойкости штампового инструмента для горячей обработки металлов давлением посредством выбора рациональных научно-обоснованных режимов эксплуатации и комплексных методов упрочнения.

Во втором разделе рассматриваются эксплуатационные требования, предъявляемые к штампам и возможное их разрушение. Показано, что стойкость штампового инструмента зависит от большого числа факторов, которые можно разделить на конструктивные, эксплуатационные, металлургические и технологические. Одновременное воздействие множества факторов на стойкость штампового инструмента для горячего деформирования затрудняет установление основных закономерностей и причин выхода штампов из строя. Однако основными причинами выбраковки большинства штампов являются: местное или общее изменение размеров и формы рабочей поверхности гравюрыпоявление развитой сетки трещин термической усталости.

Процесс разрушения материала штампов состоит из двух основных явлений: зарождения трещины и ее распространения.

В общем случае решение задач теории трещин состоит из двух этапов:

1) формулировки необходимых механических концепций распространения трещин в твердых телах и составления на этой основе критериальных уравнений;

2) определения локального поля напряжений около трещины в деформируемом теле.

Основные выводы, относящиеся к трещиностойкости, состоят в следующем: а) для высокопрочных материалов порообразующие включения играют незначительную роль, и при увеличении предела текучести их влияние уменьшается (предполагается, что последнее связано с локализацией течения и декогезией полос скольжения). Незначительная роль порообразующих включении относится к распространению уже существующей трещины вдоль плоскости, наклоненной к плоскости исходной трещины. При этом* включения определяют профиль поверхности разрушенияб) для достижения высокой трещиностойкости необходимо предотвратить локализацию течения, а если это не удается, то затруднить протекание процесса декогезии полос скольжения, чрезмерное стремление очистить материал от порообразующих включений успеха не принесёт. Это существенное отличие от поведения низкопрочных материалов, для которых первостепенное значение для достижения высокой трещиностойкости имеет снижение концентрации порообразующих включений.

Эти выводы исключительно важны для создания сплавов и могут быть основой для предсказания поведения высокопрочных материалов.

Существенное влияние на долговечность штампов оказывает разгарное разрушение их материалов. Отличительной особенностью методики по изучению разгара является возможность в процессе испытания следить за кинетикой развития трещин в образцах. Термическая усталость оценивается средней величиной трещин, растущих от краёв к центру дна надреза образца. В большинстве других методик термическая усталость оценивается числом циклов до появления первой трещины или трещины определенного размера. Исследования ограниченной долговечности проводилось для сталей марок ЗОХ2ГСМФ, 4Х4М2ВФС, ЗХЗМЗФ и 4Х5МФС.

Самое высокое сопротивление термической усталости показала сталь марки ЗХЗМЗФ. Трещины были обнаружены лишь после 200 термоциклов и длина их оставалась в 1,5. .2 раза меньше чем в образцах из стали марок 4Х4М2ВФС и 4Х5МФС. Сталь марки ЗОХ2ГСМФ обладает хорошей разгаростойкостью, что согласуется с результатами изучения ограниченной долговечности. При условии обильного охлаждения рабочей поверхности тяжелонагруженного прессового инструмента сталь марки 30Х2ГСМФ может обеспечить его длительную работу. Результаты исследований позволяют обосновать оптимальный режим термообработки штамповых сталей в состоянии поставки обеспечивающий максимальную разгаростойкость.

В третьем разделе рассматриваются температурные условия эксплуатации штампов для горячей обработки металлов давлением. Учитывается влияние тепловыделения и слоя окалины на температуру поверхности контакта горячей штамповки. Общее количество энергии, затрачиваемой на процесс деформирования, определяется по формуле Финка, а сопротивление деформации, зависящее в основном от температуры и скорости деформации, по формуле А. И. Целикова.

Для решения задачи о передачи тепла в системе из трех тел (заготовка — окалина — инструмент) с различными теплофизическими свойствами принимались следующие допущения: 1) теплофизические параметры окалины не изменяются при изменении температуры- 2) температура от заготовки к инструменту передается за счет теплопроводности- 3) толщина окалины во время работы остается постоянной- 4) решается одномерная задача неограниченной плоскости, так как толщина слоя окалины значительно меньше радиуса кривизны инструмента.

Проводится расчет температурных полей в штамповом инструменте, движущемся относительной заготовки при горячей штамповке. Задача решается конечно-разностным методом — методом дробных шагов. У поверхности инструмента в месте контакта с заготовкой сетка сгущена, так как в этой области возникают наибольшие градиенты температур. Анализ результатов исследования показал, что наибольший перепад температур происходит в поверхностных слоях пуансона. Контактная поверхность пуансона имеет температуру выше, чем поверхность контакта матрицы.

Решение задачи о распределении температурного поля в полом цилиндрическом конечных размеров пуансоне, погружающемся в разогретую заготовку, проводится аналитически методом изображений с использованием разложения в ряд Фурье и используя принцип суперпозиций.

Аналитический метод расчета удобен для точного определения температуры R интересующей точке пуансона в определенный момент времени. Для расчета распределения температурных полей по телу пуансона в течение рабочего периода инструмента аналитический метод требует большого количества машинного времени. Численный метод для инженерных расчетов является более экономичным и дает достаточную точность определения температурных полей в движущемся, водоохлаждаемом изнутри, пуансоне горячей штамповки.

Из результатов расчета следует, что наибольший разогрев наблюдается в поверхностных слоях пуансона и по мере приближения к оси температура снижается. Максимальный нагрев пуансона происходит в период паузы, когда заготовка выдавлена, а пуансон ещё не начал подниматься. Максимальная температура разогрева поверхностных слоев нижнего горца инструмента перед периодом подъёма достигает 600.650°С. В период остывания температура снижается до 400 °C. Наибольший градиент температур возникает в поверхностной зоне толщиной ~ 1−10 «м и составляет 80.100 °С/мм. Для уменьшения перепада температур поверхностных слоев, очевидно, перед началом работы исследуемый инструмент целесообразно подогревать до ~ 400 °C.

Расчёт температурных полей даёт возможность определить изменение температуры по телу пуансона, имеющего форму, близкую к цилиндрической, в процессе всего времени работы штампового инструмента. Для оценки уровня разогрева прошивного пуансона и подтверждения предложенного температурного расчёта, был поставлен эксперимент.

Показано, что стабильный режим устанавливается после первых 6−7 штамповок. Уровень температуры в поверхностных слоях выше, чем в теле пуансона. Кроме того, амплитуда колебания температур максимальная в поверхностных слоях штампового инструмента. Максимальная температура цикла в период квазистационарного теплового режима пуансона, составляет 650° С — минимальная — 425 °C. От поверхности к оси пуансона температура постепенно снижается до 330−430°С.

Предложенный метод расчёта температуры разогрева прошивной головки штампового инструмента хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований. Это позволяет с достаточной достоверностью определить расчётным путем влияние геометрических размеров, формы, свойства материала инструмента, заготовки, пограничного слоя смазки, временных параметров цикла штамповки, предварительного подогрева, условий теплоотвода, температуры заготовки и т. п. на распределение температурных полей по объёму пуансона.

Распределением температурных полей, градиентом температуры определяются температурные напряжения, возникающие в процессе работы штампового инструмента. Расчет температурного поля движущегося полого водоохлаждаемого пуансона позволил провести анализ напряженного состояния цилиндрического пуансона с теплопроводным включением.

Исследования показали, что локальность нагрева пуансона существенно зависит не только от протяженности зоны нагрева, но и от тонкостенности, а таюке теплофизических параметров. Представляется возможность соответствующим изменением соотношения теплофизических параметров материала пуансона и охлаждающей жидкости достичь изменения знака максимальных напряжений в опасных сечениях.

В четвертом разделе проводится расчет силовых параметров эксплуатации штампов горячего деформирования металлов.

Термоупругие напряжения в квазистатическом приближении найдены с помощью метода Гудьера.

Анализ результатов расчета показал, что в процессе одного цикла нагружения термоупругие напряжения он, а^, афф меняют знак. В разных зонах пуансона кривые напряжений в процессе работы изменяются по величине и имеют различную направленность. Наибольших значений напряжения огг, афф достигают в конце цикла штамповки. Сократив время пассивного контакта, до 0,3. 0,4 сек, после периода выдавливания, можно значительно уменьшить термоупругие напряжения в объёме пуансона, максимальные термоупругие напряжения растяжения а77, офф возникают в поверхностных зонах пуансона. Если учесть, что наибольший разогрев штампового материала до 600.65С происходит в зонах соприкосновения с разогретой заготовкой, и, что при повышенных температурах физико-механические свойства материалов понижаются, то, очевидно, наиболее вероятно зарождение и развитие трещин усталости будет происходить в поверхностной зоне пуансона. Кроме температурного, пуансон испытывает силовое циклическое воздействие. Для более полной оценки загруженности материала штампового инструмента были проведены экспериментальные исследования по определению удельных нагрузок, возникающих в процессе штамповки.

Определение уровня удельных нагрузок, возникающих в материале штампов для горячей штамповки, осуществлялось с помощью гидравлической месдозы, включённой в гидросистему рабочего цилиндра пресса ПО-437. Для регистрации сигналов тензодатчиков применялись тензостанция 8АНЧ-7М и шлейфовый осциллограф Н-700. Из анализа результатов испытаний можно сделать вывод, что при горячей прошивке изделий типа «стакан», удельные нагрузки в пуансоне достигают 400.570 МПа, т. е. средние удельные силы достигают 480 МПа, отклонения от среднего удельного давления происходят, очевидно, от неравномерности разогрева штампуемой заготовки. Стали для изготовления инструмента горячей штамповки должны обладать достаточной разгаростойкостью и высоким комплексом механических свойств при температуре 600.650°С и удельных силах штамповки Р = 400.570 МПа.

Анализ результатов расчета показал, что наибольшие суммарные напряжения материал штампового инструмента испытывает в поверхностной зоне возле нижнего торца пуансона. В этой же зоне наблюдается максимальный разогрев пуансона.

Для регистрации деформации после удаления слоев металла использовали прибор АИД-2М (автоматический измеритель деформации). Снятие слоев пуансона производили на токарном станке с интенсивным охлаждением при малых скоростях резания и подачи, чтобы исключить разогрев металла. В работе применялись тензодатчики типа ПКБ-20−200.

Остаточные напряжения распределяются по толщине стенки неравномерно и меняют знак несколько раз. Термическая обработка даёт существенный прирост остаточных напряжений.

В результате циклического температурного воздействия в процессе штамповки происходит перераспределение напряжений по толщине стенки пуансона.

Возникновение и развитие разгарных трещин происходит с поверхности в зоне наибольшего разогрева, при котором физико-механические свойства штамповых сталей значительно снижаются. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что при неблагоприятном сочетании температурных, остаточных напряжений и напряжений от механического воздействия, суммарные тангенциальные напряжения растяжения в поверхностных слоях пуансона могут достигать 1300. 1500 МПа. И если учесть наличие хрупких «белых слоев» в поверхностной зоне инструмента, то наличие растягивающих остаточных напряжений создают благоприятные условия для зарождения и роста трещин. Очевидно, величина напряжений растяжения, в процессе циклического термического воздействия при штамповке, возрастает до тех пор, пока ни превысит предела прочности материала в области трещины (концентратора напряжений). Затем происходит интенсивный рост трещин и напряжения релаксируют. При дальнейшей работе штампового инструмента процесс повторяется и продолжается рост трещин.

Таким образом, в штамповом инструменте в процессе работы формируются значительные напряжения, в поле действия которых облегчается зарождение и рост трещин. С целью увеличения срока службы штампов необходимо создавать условия, способствующие устранению растягивающих напряжений в поверхностных слоях инструмента.

Пятый раздел посвящен экспериментальному моделированию, сопоставлению результатов экспериментального и теоретического исследований.

Определение термоупругих напряжений, возникающих в результате термического циклического воздействия в защемленном образце с надрезом, проводилось экспериментально — теоретическим методом.

Решение достаточно точно аппроксимируется полиномом т-й степени. Константы полинома устанавливаются на основании эксперимента и являются характеристиками материала. Предложенная формула позволяет вести аналитические исследования кинетики распространения усталостных трещин для различных видов циклического нагружения.

Разработанная методика испытания штамповых сталей дает возможность изучать кинетику развития радарных трещин в процессе термоциклирования. Оценивается термическая усталость средней величиной трещин, растущих от краёв по дну надреза образца. Скорость роста средней величины трещин (средняя величина трещин в зависимости от количества термоциклов) достаточно чувствительно реагирует на изменение химического состава, максимальной температуры цикла, различные методы механической, термической и другие виды обработки сталей.

Была проведена оценка, термоусталостной прочности штамповых сталей при наличии концентрации напряжений и экспериментальное определение остаточных напряжений. Замер остаточных напряжений в опытных образцах осуществляли на рентгеновских диафрактометрах ДРОН-2,0 и УРС-50И.

Анализ эпюр остаточных напряжений показал, что в районе от 0 до 100 теплосмен в образце формируются и преобладают остаточные напряжения растяжения, что, очевидно, должно снизить его ограниченную долговечность. К 500 теплосменам начинают преобладать остаточные напряжения сжатия, что должно повысить ограниченную долговечность образца. В интервале 500.800 теплосмен наблюдается тенденция к формированию напряжений растяжения и к 800 термоциклам остаточные растягивающие напряжения становятся значительными. Очевидно, ограниченная долговечность испытуемого образца к 800 теплосменам снижается.

Статические (доциклические) характеристики стали не могут в полной мере служить объективной оценкой работоспособности, поэтому ограниченную долговечность образцов определяли после термоциклирования и различных методов упрочняющих обработок, сравнивая их с ограниченной долговечностью исходного состояния. Усталостные испытания проводились на копре повторных ударов. Повторные удары наносились с противоположной стороны надреза образца с частотой 600 ударов в минуту при потенциальной энергии удара 0,2 Дж. Ограниченную долговечность определяли по числу ударов до полного разрушения образца.

Проведенные экспериментальные исследования позволили оценить расчётную живучесть образцов из штамповых сталей при ударно-усталостном и усталостном изгибах и оценить сопротивление ударно-усталостному разрушению поверхностно-упрочненных штамповых сталей.

В шестом разделе разрабатываются практические рекомендации, позволяющие увеличить стойкость штампов. Рассматривается влияние электрошлакового переплава (ЭШП) на механические свойства, разгаростойкость и ограниченную долговечности штамповых сталей. Результаты испытаний позволяют сделать выводы, что ЭШП заметно повышает пластичность и вязкость штамповой стали при слабом влиянии на прочностные свойства. Обеспечение пластических и вязкостных свойств металла ЭШП позволяет отказаться от операции перекова слитков, либо использовать слабые степени обжатия.

Ограниченную долговечность сталей изучали в широких интервалах твёрдости. Установлено, что наибольшая долговечность сталей различных марок достигается при значениях её твёрдости в интервале HRC 30.50. По имеющимся рекомендациям твёрдость штампов для горячего деформирования не должна быть ниже HRC 40.46. В этом интервале твёрдости ЭШП повысил ограниченную долговечность сталей различных марок от 1,5 до 3,5 раз.

Далее изучалась разгарная стойкость электрошлаковых сталей. Интервал термоциклирования выбирали в пределах 20 — 550 °C. Первые нарушения сплошности стали наблюдали ранее 200 термоциклов в виде отдельных пор. Образование пор можно связать с коагуляцией вакансии, путем их дрейфа в поле напряжений. В процессе термоциклирования количество пор растет и увеличиваются их размеры.

Замеры роста трещин производили после 100, 200, 500,800 и 1000 термоциклов, затем вычисляли их среднюю длину и глубину. ЭШП способствовало более раннему появлению разгарных трещин (после 100 теплосмен) и в большем количестве, но развивались они значительно медленнее. Высокое сопротивление развитию термоусталостных трещин связано со строением электрошлакового металла и прежде всегодисперсным распределением неметаллических включений, играющих роль концентраторов напряжении. Благоприятным является уменьшение в 3.4 раза общего количества включений в электрошлаковой стали.

ЭШП дополнительно повышает разгаростойкость штамповой стали различных марок от 1.5 до 2,5 раза при твёрдости HRC 44.46 — от 1,3 до 1.8 раза. Важным выводом является возможность повышения твёрдости пуансонов из сталей разных марок после ЭШП на 4.6 ед. HRC по сравнению с прокатом, не снижая при этом их разгаростойкости.

Для пуансонов, выполненных из сталей всех марок, применение ЭШП существенно повышает их разгаростойкость при всех рассмотренных интервалах термоциклирования. Подтверждается отмеченный ранее факт позднего зарождения трещин в образцах из проката и их более интенсивный рост, особенно при температуре термоциклирования 20 — 650 °C. Замедление роста трещин здесь при числе термоциклов более 600 объясняется снижением твёрдости стали при отпуске и повышением её пластических свойств.

Характер изменения ограниченной долговечности стали в зависимости от ее химического состава, твёрдости и числа термоциклов оказался неоднозначным. Электрошлаковый переплав способствовал значительному повышению исходной ограниченной долговечности различных марок стали при всех опробованных значениях твёрдости.

Исследование влияния максимальной температуры термоциклирования на ограниченную долговечность штамповой стали показало, что с повышением температуры цикла с 450 до 650 °C долговечность всех исследуемых марок стали снижается. Однако долговечность стали ЭШП остается при этом выше в несколько раз по сравнению с прокатом.

Далее приводятся результаты исследований влияния физических, электродинамических методов воздействия в процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения штампов. Изучалось влияние ультразвука, пульсирующего магнитного воздействия (ПМВ), высокотемпературной термо — механической обработки (ВТМО) и различные их сочетания. Эксперименты по изучению влияния ультразвука на свойства штамповой стали проводили на опытноэкспериментальной установке ЭШП с ультразвуковым воздействием (УЗВ). «>

Использовали УЗВ удельной мощностью 33.10 Дж/м, 100.10 Дж/м.

3 3 3 3 и 200.10 Дж/м. Применение УЗВ мощностью 33.10 Дж/м способствовало повышению комплекса механических свойств и ограниченной долговечности стали после закалки и отпуска. В большей степени применение УЗВ повысило значения ударной вязкости (на 40%) и ограниченной долговечности (в 1,5 раза). Причиной улучшения свойств стали, явилось главным образом, очищение металла от неметаллической фазы и её диспергирование, и, как следствие, однородности упрочненных структур мартенсита, троостита. Благоприятную роль играет также измельчение дендритной структуры и повышение ее однородности. Дальнейшее повышение удельной мощности подводимого ультразвука до 100.200.103 Дж/м привело к резкому снижению характеристик всех механических свойств и ограниченной долговечности во всём интервале изучаемых значений твердости. Причиной этого явилось нарушение сплошности металла, появлением в структуре трещин, пористости и разнозернистости. Отмечены неравномерность распределения по размерам дендритов и неметаллических включений, зашлаковывание отдельных участков слитка.

Таким образом, ультразвук оказался достаточно эффективным методом повышения стойкости штампов. Вместе с тем очевиден факт невысоких энергетических возможностей метода УЗВ его дороговизны и низкой технологичности. В этой связи особое значение приобретает использование методов электродинамического воздействия на расплав.

Пульсирующее магнитное воздействие (ПМВ) на расплав металла осуществляли на электрошлаковой установке, А — 550, за счет взаимодействия магнитного поля соленоида, подключённого к полупроводниковому преобразователю, с током переплава. С увеличением силы тока соленоида наблюдалось повышение однородности троостита после термической обработки. ЭШП с ПМВ при оптимальной силе тока соленоида Ic = 8А увеличила разгаростойкость по сравнению с ЭШП в 2 раза, а по сравнению с контрольным вариантом — в 3 раза. Образцы, полученные ЭШП с ПМВ при Ic= 8А обладают также наибольшей ограниченной долговечностью как в исходном состоянии, так и после термоциклирования. С повышением силы тока соленоида от 0 до 8А, пик ограниченной долговечности смешается вправо (200, 450 и 650 термоциклов соответственно) и одновременно возрастает его значение. При изменении 1с от 8 до 12А происходит снижение ограниченной долговечности и пик смещается влево к 500 термоциклам. Дальнейшее повышение числа термоциклов приводит к снижению ограниченной долговечности, особенно и металле ЭШП с 1с = 0.

Таким образом, ЭШП с ПМВ по оптимальному варианту с вводимой в расплав энергией 1280 Дж/с повышает разгаростойкость и ограниченную долговечность штамповой стали и может явиться эффективным методом повышения стойкости горячештампового инструмента.

Исследования влияния высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) на разгаростойкость и ограниченную долговечность сталей осуществляли на полупромышленной установке горячего гидропрессования, изготовленной на базе гидропресса «Комацу май-пресс» силой 3000 кН.

Полученные результаты — исследования позволяют считать комбинированный метод ЭШП с ПМВ и последующей ВТМО с использованием горячего гидропрессования наиболее эффективным для горячештамповых сталей.

Таким образом, ВТМО является эффективным методом обработки штамповых сталей. С увеличением степени обжатия разгаростойкость и ограниченная долговечность повышаются. Высшая долговечность и разгаростойкость обнаружена при степени обжатия с ~ 83% полученной горячим гидропрессованием по схеме ВТМО. Улучшение служебных характеристик штамповых сталей связано с образованием полигональных, термически устойчивых дислокационных построении после ВТМО. Кроме того, после горячего гидропрессования по схеме ВТМО повысился балл аустенитного зерна, мартенсит имел более мелкокристаллическое строение, устранены хрупкие цепочки карбидных построений, неметаллические включения стали более мелкими и распределились по объёму металла равномернее.

ЭШП положительно повлиял на долговечность и разгаростойкость штампов. Лучшие результаты подучены с помощью комбинированных методов обработки (ЭШП + УЗВ, ЭШП+ПМВ, ЭШП + ВТМО, ЭШП + ПМВ + ВТМО). На экспериментальных образцах, изготовленных из стали ЭШП с ПМВ с последующим горячим гидропрессованием по схеме ВТМО обнаружены самые высокие значения поверхностных остаточных напряжении сжатия.

Результатом работы явилась разработанная и опробованная методика выбора рациональных научно-обоснованных режимов эксплуатации кузнечно — прессового оборудования и комплексных методов повышения стойкости штампового инструмента, позволяющие повышать эффективность применения различных упрочняющих технологий, увеличивать разгаростойкость и улучшать служебные характеристики штампов для горячей обработки металлов давлением.

Таким образом, на защиту выносятся:

— закономерности формирования температурных полей многомерной системы «инструмент — заготовка — матрица» с учетом скорости перемещения инструмента относительно разогретой заготовки при циклически меняющихся температурно-силовых воздействиях;

— физические и математические модели определения величин и характера распределения остаточных напряжений под действием различных методов упрочняющих технологий в результате циклического температурного воздействияматематическая модель возникновения и распространения термоусталостной трещины, по скорости роста которой определяется число циклов до разрушения штампов;

— методика оценки роста трещин усталости штамповых сталей в зависимости от различных методов упрочняющих обработок и условий эксплуатации инструмента обработки металлов давлением;

— методика определения оптимальных режимов и рациональных областей применения различных методов упрочняющих обработок исследуемых сталей с целью повышения их эксплуатационных характеристик и получения высокостойкого штампового инструментаобобщения выполненных теоретических результатов и экспериментальных исследований разгарного разрушения и изменения на их основе служебных характеристик штамповых сталей после физических, электродинамических и комбинированных технологий упрочненияпрактические рекомендации по обоснованию и назначению рациональных параметров режимов эксплуатации штампов и комплексных методов упрочнения его материалов.

В исследованиях использован математический аппарат теории пластичности, теории теплопередачи и теории зарождения и распространения трещин. Условием, обеспечивающим современный уровень моделирования, является широкий анализ. работ, посвященных как экспериментальным, так и теоретическим исследованиям, логическая связь с теоретическими и экспериментальными результатами предыдущих исследований, сопоставление некоторых выводов с ранее известными фактами.

Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций и разработанных методик обусловлена корректностью применения современных математических методов, широким использованием ЭВМ, удовлетворительным сравнением результатов моделирования с имеющимися экспериментальными данными (расхождение не более 5%).

Научная новизна работы состоит в выявлении физических и математических закономерностей, адекватно отображающих температурно-силовые условия работы многомерной системы «инструмент — заготовкаматрица», установлении механизма возникновения и распространения усталостных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки, обеспечивающих повышение эффективности литых пуансонов на основе выбора комплексных методов упрочнения и режимов их эксплуатации, позволяющих на стадии проектирования прогнозировать стойкость пуансонов.

Научные результаты работы включают:

— установление закономерностей формирования температурных полей и полей напряжений, возникающих в инструменте, движущемся относительно разогретой заготовки;

— определение распределения по телу штампового инструмента остаточных напряжений, возникающих в результате циклического температурно-силового воздействия;

— оценка эффективности различных методов упрочнения, и их влияние на разгаростойкость и долговечность пуансонов, работающих в условиях циклически меняющихся температур и напряжений;

— получены аналитические зависимости, описывающие процессы зарождения и распространения усталостных трещин, по скорости роста которых легко предсказать стойкость штампов горячей обработки металлов давлением;

— установлены закономерности изменения физико — механических свойств материалов и их влияние на стойкость инструмента в процессе эксплуатацииопределены режимы физических методов упрочнения и электродинамических воздействий в процессе электрошлакового переплава (ЭШП), а также их комбинаций, повышающие разгаростойкость, долговечность штампов, качество изделий в целом;

— получены режимы комбинированных методов упрочнения, эффективно формирующие остаточные напряжения сжатия в теле штампового инструмента, обеспечивающие повышение его стойкости;

— обобщены результаты исследовании разгарного разрушения и изменения служебных свойств различных марок штамповой стали после физических, электродинамических и комбинированных методов упрочнения, позволяющие определить режимы их эксплуатации и области рационального применения.

Создана научная база для обеспечения возможности повышения стойкости штампового инструмента за счет оптимизации режимов эксплуатации и увеличения долговечности штампов для горячей обработки металлов давлением путем выбора рациональных научно-обоснованных комплексных методов упрочнения.

В выполненном автором комплексе исследований практическую ценность представляют:

— метод расчета температурных полей и напряжений в движущемся относительно разогретой заготовки осесимметричном инструменте для горячей обработки металлов давлением;

— выявленный характер распределения и изменения остаточных напряжений при термоциютировании, предопределяющий зоны вероятного зарождения усталостных трещин в штамповом инструменте;

— результаты исследований ограниченной долговечности и кинетики I развития разгарных трещин, позволяющие установить эффективность различных технологий упрочнения литых пуансонов;

— режимы физических, электродинамических в процессе ЭШП и комбинированных методов упрочнения, повысивших стойкость штампового инструмента;

— рекомендации рационального применения исследованных методов упрочнения в соответствии с режимами эксплуатации.

Результаты исследований внедрены в ЦНИТИМ г. Москва), ОАО «Корпорация «ТРВ» (г. Королев, Московская область), ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С. П. Королева (г. Королев, Московская область), ОАО «Штамп» (г. Тула), ОАО «Туламашзавод», ОАО «Точприбор» (г. Иваново), ОАО «ТНИТИ» (г. Тула), ФГУП «ГНПП «Сплав» (г. Тула), ЗАО «Тульский завод цепей» (г. Тула), АО «Тракторный завод «Траком» (г. Кишинев).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации представлено новое решение важной научно-технической проблемы — повышения стойкости литых пуансонов горячего деформирования осесимметричных деталей посредством установления закономерностей формирования полей температурно-силовых напряжений многомерной системы «инструмент — заготовка — матрица», возникновения и распространение усталостных и разгарных трещин, появления и изменения остаточных напряжений в процессе термической обработки и штамповки, и на основе этого выбора научно — обоснованных комплексных методов упрочнения и рациональных режимов эксплуатации.

В процессе теоретического и экспериментального исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что основными причинами, приводящими к изменению формы и размеров рабочей поверхности горячих пуансонов, являются трещины разгара и пластическая деформация металла гравюры.

2. Расчет температурных полей в пуансоне и экспериментальные исследования показали, что при деформировании заготовки с начальной температурой 950. 1000 °C разогрев поверхности пуансона происходит в период его активного контакта с заготовкой и доходит в конце процесса выдавливания до 650.750 °С. В нерабочий период температура поверхностного слоя понижается до 360.420 °С. С целью снижения термоупругих напряжений при первом цикле деформирования заготовки пуансон перед работой следует подогревать до 350.430 °С.

3. Предложенный теоретический расчет температурных полей, с учетом скорости движения пуансона относительно разогретой заготовки на примере осесимметричной прошивной головки, показал хорошую сходимость с результатами эксперимента.

4. Теоретическими исследованиями нестационарных температурных напряжений в пуансоне цилиндрической формы с теплопроводным включением установлено, что локальность нагрева инструмента зависит от напряженно-деформируемого состояния, тонкостенности пуансона и тепло-физических параметров штамповой стали. Изменением соотношения теп-лофизических параметров материала и интенсивности охлаждения инструмента достигаются благоприятные изменения как величины, так и знака остаточных напряжений в пуансоне.

5. Теоретическое и экспериментальное определение остаточных напряжений в головках прошивных пуансонов после термообработки и различного числа циклов штамповки показало, что остаточные напряжения от поверхности к оси инструмента неоднократно изменяются по величине и знаку. С увеличением числа штамповок возрастает величина растягивающих остаточных напряжений, что является одной из причин зарождения и развития усталостных и разгарных трещин в поверхностных слоях и в теле инструмента.

6. Сделан анализ этапов развития усталостной трещины в пуансоне при циклическом температурно-силовом воздействии, при котором влияние величины и характера изменения остаточных напряжений на усталостное разрушение и долговечность пуансона являются определяющими.

7. Установлено, что применение электрофизических методов воздействия в процессе кристаллизации является эффективным методом формирования структуры и улучшения эксплуатационных характеристик пуансонов. После ЭШП при твердости HRC 40.46 долговечность пуансонов увеличивается от 1,7 до 3 раз, увеличивается разгаростойкость, что позволяет поднять верхний температурный предел эксплуатации от 550 до 700 °C и увеличить твердость инструмента на 6.8 единиц HRC. Ультразвуко.

3 3 вое воздействие удельной мощности 33*10 Дж/м в процессе ЭШП диспергирует дендритную структуру, значительно очищает металл от самых крупных неметаллических включений, повышает ударную вязкость на 40%. Стойкость пуансонов после закалки и отпуска до твердости HRC 53.55 увеличивается в 1,5 раза. Дальнейшее увеличение удельной мощности УЗВ неэффективно.

8. Показано, что пульсирующее магнитное воздействие в процессе ЭШП значительно повышает разгаростойкость и ограниченную долговечность пуансонов. Наибольшая разгаростойкость и стойкость получена на пуансоне из стали 4ХМФС с твердостью HRC 44.46 после ЭШП с ПМВ при силе тока Ic = 8А, напряжении Uc. = 80 В, частоте тока f ~ 0,5 Гц с вводимой в расплав энергией 1280 Дж/с.

9. Исследовано влияние высокотемпературной обработки (ВТМО) на служебные характеристики пуансонов. Разгаростойкость и ограниченная долговечность исследуемых образцов при твердости HRC 44.46 увеличились в 2,1 раза по сравнению с прокатом и ЭШП. С увеличением степени обжатия при гидропрессованнии по схеме ВТМО улучшаются физико-механические свойства сталей и служебные характеристики. пуансонов для горячей обработки металлов давлением, что объясняется особенностями полученной тонкой кристаллической и субзеренной структуры.

10. Установлено, что комбинированные упрочняющие способы изготовления пуансонов являются эффективными методами повышения их стойкости. ПМВ в процессе ЭШП с последующим горячим гидропрессованием по схеме ВТМО со степенью обжатия 8= 83% повысил разгаростойкость пуансонов в 3.10 раз по сравнению с ЭШП. Долговечность после комбинированной обработки в исходном состоянии и после различного числа теплосмен в 2,5.4 раза больше, чем у пуансонов из ЭШП и проката.

11. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что наибольшую разгаростойкость и ограниченную долговечность имеют штампы, у который в поверхностных слоях созданы значительные остаточные напряжения сжатия. В порядке возрастания эффективности упрочнения и влияния его на долговечность пуансонов методы обработки располагаются следующим образом: прокат с ВТМО, ПМВ в процессе ЭШП, ЭШП с последующей ВТМОПМВ в процессе ЭШП с последующей ВТМО.

12. Разработана и опробована методика выбора рациональных научно обоснованных режимов эксплуатации кузнечно-прессового оборудования и комплексных методов повышения стойкости штампового инструмента, позволяющие повышать эффективность применения различных упрочняющих технологий, увеличивать разгаростойкость и улучшать служебные характеристики штампов для горячей обработки металлов давлением.

13. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны рекомендации и создано программное обеспечение для ЭВМ по расчету температурных полей движущегося полого водо-охлаждаемого пуансона, что позволяет с достаточной достоверностью определить расчетным путем влияние геометрических размеров, формы, свойств материала инструмента, заготовки, пограничного слоя, смазки, временных параметров цикла штамповки, предварительного подогрева, условий теплоотвода и т. п. на распределение температурных полей по объему пуансона. Разработаны новые технологические процессы изготовления заготовок пуансонов электрошлаковым переплавом изношенного инструмента и сортового проката: с наложением ультразвукового воздействияс применением пульсирующих магнитных полейвысокотемпературной термомеханической обработки, а также комбинированных методов. Материалы диссертационной работы использованы также в учебном процессе.