ТЕХНОЛОГИЯ ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ

АННОТАЦИЯ

 В статье предложена методика технологии жидкой штамповки, технология ускоренных испытаний литья под давлением. Проведены испытания процесса горячей штамповки металлов в закрытых штампах. Определены время начала кристаллизации металла. Обоснованы возможности использования технологии жидкой штамповки деталей в области машиностроения.

ABSTRACT

The article proposes a technique for liquid stamping technology, a technology for accelerated testing of injection molding. Tests of the process of hot stamping of metals in closed dies were carried out. The time of the beginning of metal crystallization was determined. The possibilities of using the technology of liquid stamping of parts in the field of mechanical engineering are substantiated.

Ключевые слова: штамп, слиток, пресс, поковка, заготовка, проковка.

Keywords: stamp, ingot, press, forging, billet, forging.

Технологию жидкой штамповки можно рассматривать, с одной стороны, как технологию литья под давлением, с другой - как процесс горячей штамповки в закрытых штампах. Металл заливается в штамп в жидком состоянии, а окончательное формообразование (штамповка) детали происходит в момент, когда металл находится в полужидком состоянии, а затем в твердом. Это позволяет получать заготовки с высокой плотностью металла и с повышенными механическими свойствами.

Чтобы правильно понять и оценить по достоинству технологические возможности процесса жидкой штамповки, было бы целесообразным рассмотреть теоретические основы этого процесса. Это в значительной степени способствовало ускорению внедрения жидкой штамповки в области машино – и приборостроения. Новые данные об этом процессе помогут и раскрытию его возможностей и резервов в отношении улучшения качества производимых деталей.

Теоретические основы процесса жидкой штамповки. При рассмотрении процесса жидкой штамповки особенный теоретический и практический интерес представляют время начала кристаллизации металла, залитого в нижний ручей штампа, а также продолжительность процесса кристаллизации при высоких давлениях, влияние давления на распределение температуры в объеме жидкого металла при его кристаллизации и в процессе штамповки. Знание этих параметров позволит определить, с одной стороны, максимально допустимое время между заполнением штампа жидким металлом и установлением необходимого давления, а с другой – время, необходимое для кристаллизации металла заготовки. При этом очевидно, что вопрос касается задачи, связанной с нестационарным теплопереносом, для решения которой могут быть использованы различные методы. В данном случае использовано дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности в твердых телах – уравнение Фуре.

                                                             (1) 

где      - температура; - время; - теплопроводность; с - удельная теплопроводность;  – плот-ность.

Определение времени начала кристаллизации  тела простой формы может быть использовано и при расчете деталей сложной конфигурации. За начальный момент кристаллизации  принимается конец заливки матрицы жидким металлом. Время начала кристаллизации (затвердевания)  зависит от множества факторов, а именно:

                                    (2)

где        - температура штампа;  – начальная (при заливке) температура расплавленного металла;   –конечная температура (затвердевания) металла;  -коэффициент теплоотдачи; (ср) – коэффициент температуропроводности; х – толщина кристаллизирующегося металла.

Вычисленные с помощью уравнения (2) и представленные графически функциональные зависимости некоторых используемых сплавов показывают, каково влияние температур и коэффициента теплоотдачи  и свойства металлов, предназначенных для жидкой штамповки, на время начала кристаллизации  [1]. Эти зависимости могут быть использованы для практических целей.

Определение времени, необходимого для полной кристаллизации и затвердевания штампуемых деталей, служит важной характеристикой процесса жидкой штамповки. При определении времени конца кристаллизации   следует принять во внимание то обстоятельство, что при переходе металла из жидкого состояния в твердое теплота плавления  поглощенная при плавлении, освобождается (отделяется). Для вычисления передвижения фазовой границы от поверхности к внутренней части металлического блока различные исследователи  используют соотношение

                                               (3)

где       – толщина нового агрегатного состояния, в данном случае твердого слоя штампуемой детали при его кристаллизации;   - фактор, который вычисляется из уравнени

        (4)

здесь  –температура жидкого металла.

Это уравнение было использовано Гребером, Эрком и Григулем изменения свойств, причем во внимание приняты изменения свойств материалов

При рассмотрении процесса кристаллизации для жидкой штамповки металлов следует учитывать и влияние на кристаллизацию металла высоких давлений, присущих этому методу. Для большинства металлов температура повышается по мере увеличения давления.

Повышение температурной фазовой границы между твердым и жидким агрегатными состояниями на диаграмме давление – температура определяется уравнением Клаузиуса – Клапейрона:

                                                                        (5)

Для сравнения могут быть использованы результаты вычислений повышения температуры при литье под давлением алюминия. Установлено, что при жидкой штамповке алюминиевых деталей при давлении МПа температура жидкого металла  повышается примерно на 30⁰ С.

Для расчета процесса жидкой штамповки необходимо учитывать влияние давления и температуры на коэффициент теплоотдачи, которой показывает, какое количество теплоты Q за время   передается с площади поверхности А жидкого металла на штамп:

                                                                (6)

Коэффициент  не зависит от давления , но зависит материалов и формы от свойств материалов и формы рабочей полости штампа.

На основании представленных выше теоретических обоснований возможностей использования технологии жидкой штамповки деталей в области машиностроения можно заключить, что процесс кристаллизации и затвердевания жидкого металла при наличии высоких давлений протекает в более благоприятных условиях по сравнению с литейными процессами, а именно:

а) вследствие увеличения коэффициента теплоотдачи повышается скорость охлаждения, в результате чего структура металла получается более мелкозернистой;

б) повышение давления предотвращает появление усадочных раковин;

в) с увеличением давления растет растворимость водорода, что предотвращает образование газовых микропор;

г) вследствие повышенных давлений при кристаллизации жидкого металла замедляется и предотвращается образование микроскопических раковин при росте дендритов;

д) заполнение полостей штампов и качество поверхности штампуемых деталей улучшаются.

Все технологические преимущества жидкой штамповки, перечисленные выше, обусловливают и повышение механических свойств отштампованных деталей.

Самой необходимой предпосылкой и решающей характеристикой для правильного протекания процесса жидкой штамповки служит соблюдение неравенства

                                                       (7)

где      S - ход пуансона (от верхнего исходного положения до закрытия штампа);  - средняя скорость пуансона; - время, необходимое для получения минимального давления в деформационном пространстве.

Время начала кристаллизации  зависит от вида штампуемого изделия, от геометрической формы штампа и от выбора технологических параметров. Чтобы решить, может ли данное изделие быть отштамповано из жидкого металла, необходимо определить время начала кристаллизации  С помощью oопределяются минимальные размеры штампованных изделий. Верхний предел размеров штампованных изделий устанавливается на основе максимального усилия пресса и необходимого минимального давления т.е.

                                                                                 (8)

где P –усилие деформирования; А-проекция действительной поверхности пуансона на данной горизонтальной плоскости.

Из-за повышения температуры жидкого металла в результате увеличения давления расчетную температуру кристаллизации при охлаждении, фазовая граница перемещалась лишь тогда, когда давление достигало  .

Из этого следует

                                             (9)

При определении   необходимо измерить температуру штампа.

Применение высоких давлений при жидкой штамповке позволяет изготовлять детали из сплавов с неблагоприятными литейными свойствами. Увеличение скорости кристаллизации действует благоприятно при жидкой штамповке деталей из сплавов с большим температурным интервалом кристаллизации. Это уменьшает опасность появления ликвационных зон.

Скорость заполнения металлом рабочей полости штампа может быть вычислена, если известны скорость перемещения пуансона  и соотношение поперечных сечений пуансона  и матрицы  т.е.

                                          (10)

Отсюда определяем время заполнения штампа

где      h - путь фазовой границы в жидком металле.

В этом случае время начала кристаллизации по (7) может быть представлено следующим образом:

                                           (11)

или

                    (12)

Заливка и штамповка жидкого металла. В начале процесса необходимо повысить температуру металла до температуры заливки для обеспечения его жидкотекучести и лучшего заполнения штампа. Перегрев расплавленного металла выше температуры заливки нежелателен, так как это приводит к повышенным термическим перегрузкам инструментальной оснастки и ухудшению структуры металла детали. Также необходимо обеспечить условия, исключающие попадание в расплавленный металл шлаковых включений. Повышение скорости заливки металла в штамп ухудшает условия его работы, разрушает рабочую поверхность, а в некоторых случаях приводит к сварке заготовки со штампом, что исключает последующее его использование. В связи с этим для процессов жидкой штамповки рекомендуют невысокие скорости заливки металла.

На границе раздела штамп - жидкий металл необходимо использовать разделительный слой, обеспечивающий благоприятные условия для штамповой оснастки. Для этой цели используют известь, графит или каолин. По данным некоторых исследователей, для заливки расплавленных металлов и сплавов в штампы для жидкой штамповки оптимальными являются следующие температуры: для сталей 1580⁰ С, для медных сплавов 1050⁰ С и для алюминиевых сплавов 700 ⁰ С. Как видно, применение различных материалов дифференцированно влияет на термические напряжения в штампах, что сказывается на их работоспособности [2].

Для получения деталей методом жидкой штамповки без пор и раковин рекомендует применять давление в диапазоне 100-500 МПа. Давление является решающим фактором в улучшении структуры и повышении механических свойств штампованных деталей. Для алюминиевых сплавов максимальное прилагаемое давление достигает 350 МПа .

Установлено, что в зависимости от сложности и размеров штампуемых деталей выдержка штампуемого металла под давлением изменяется в пределах 2-10 с.

Список литературы:

1. Кобелев А.Г. Теория и технология процессов ковки и прессования. Составление чертежа поковки и разработка технологии ковки: учеб.- метод. пособие / А.Г. Кобелев, М.А. Шаронов, Ю.М. Антощенков. – М.: МИСиС, 2002. – 64 с.
2. Семёнов Е.И. Технология и оборудование ковки и объемной штамповки / В.Г. Кондратенко, Н.И. Ляпунов. – М.: Машиностроение, 1978. – 311 с.