Жидкая штамповка алюминия - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Жидкая штамповка алюминия

Жидкая штамповка алюминия

ФГБОУ ВО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Москва, Россия:

Е. Н. Сосенушкин, профессор кафедры «Системы пластического деформирования», эл. почта: sen@stankin.ru
Е. А. Яновская, доцент кафедры «Прикладная математика»
К. Н. Иванов, студент
Т. А. Кинжаев, студент

Существенным отличием технологии жидкой штамповки от других процессов формообразования пластическим деформированием является процесс затвердевания расплава, охлаждающегося в штампе, в результате зарождения и роста кристаллов. На этапе структурообразования формируются технологические и эксплуатационные свойства поковок, зависящие от количества, скорости, формы роста кристаллов и их ориентации в объеме поковки. Высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхности, достижимые при изготовлении рабочих деталей штампов, позволяют получать поковки высокого качества. Термодинамические процессы, сопровождающие затвердевание расплава и являющиеся весьма сложными, описываются уравнениями математической физики. В статье рассмотрена математическая модель процесса затвердевания расплава в двухфазной зоне при формообразовании поковки жидкой штамповкой. Из совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности Фурье для расплава, двухфазной зоны и твердой корки устанавливается кинетика затвердевания, от которой зависит формирование структуры поковки. Оценено влияние внешнего давления на температурные поля и составляющие времени затвердевания полых тонкостенных поковок. Установленные расчетом технологические параметры использованы при экспериментальной штамповке полых осесимметричных поковок. Проведено исследование микроструктуры и оценена микротвердость на различных участках сечения поковки. Дефектов в виде усадочной раковины, газовой пористости и микротрещин не обнаружено.

1. Вейник А. И. Тепловые основы теории литья. — М. : Машгиз, 1960. — 436 с.
2. Баландин Г. Ф. Теория формирования отливки: Основы тепловой теории. Затвердевание и охлаждение отливки. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. — 360 с.
3. Батышев А. И., Батышев К. А., Смолькин А. А., Безпалько В. И. Заготовки поршней, изготавливаемые литьем с кристаллизацией под давлением // Известия МГТУ «МАМИ». Т. 2. № 1 (19). 2014. С. 50–52.
4. Сосенушкин Е. Н. Штамповка кристаллизующегося металла // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. № 2. С. 12–20.
5. Vanluu D., Schengdun Zh., Wenjie L., Chenyang Zh. Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties in AlSi9Mg connecting-rod fabricated by semisolid squeeze casting // Mater. Sci. and Eng: A. 2012. Vol. 558. P. 95–102.
6. Халикова Г. Р., Трифонов В. Г. Влияние режимов кристаллизации при жидкой штамповке на структуру и свойства высокопрочного алюминиевого сплава 1960 // Письма о материалах. 2012. Т. 2, № 3 (7). С. 147–151.
7. Трифонов В. Г., Халикова Г. Р. Жидкая штамповка автомобильных колес // Письма о материалах. 2013. Т. 3, № 1. С. 56–59.
8. Пат. 2308346 РФ. Способ формообразования шаровых мелющих тел из чугуна / Артес А. Э., Сосенушкин Е. Н., Володин А. М., Сорокин В. А., Французова Л. С., Гри шин В. В., Сосенушкин С. Е.; заявл. 21.06.2005 ; опубл. 20.10.2007. Бюл. № 29.
9. Белоусов И. Я., Сапрыкин А. А., Сивак Б. А. Особенности процесса жидкой штамповки заготовок поршней двигателей внутреннего сгорания / Сб. трудов конференции «Неделя металлов в Москве». — М. : ОАО «АХК «ВНИИМЕТМАШ им. академика А. И. Целикова», 2008. С. 423–428.
10. Сосенушкин Е. Н., Французова Л. С., Яновская Е. А., Кинжаев Т. А. Моделирование и освоение технологии штамповки кристаллизующегося металла // Металлург. 2018. № 3. С. 25–29.
11. Liqun H., Zhiyuan X., Sumei Li, Yunbo F., Jinhua W., Sha Nie. Microstructure and mechanical properties of castings of aluminum alloys after liquid stamping // Spec. Cast. And Nonferrous Alloys. 2013. Vol. 33. Iss. 11. P. 1021–1023.
12. Койдан И. М., Журавлев А. С. Современные технологии изготовления заготовок поршней для форсированного дизельного двигателя из поршневых алюминиевых сплавов методами тиксоформования // Литье и металлургия. 2013. № 3 (72). С. 43–45.

13. Yong P., Shuncheng W., Kaihong Zh., Wenjun Qi, Hexing Ch., Haitao Zh. Influence of the pressing time during the liquid stamping of the deformable aluminum alloy 6061 on its mechanical properties // Spec. Cast. And Nonferrous Alloys. 2013. Vol. 33, No. 12. P. 1152–1157.
14. Коростелев В. Ф. Технология литья с программным наложением давления. — М. : Машиностроение, 2000. — 204 с.
15. Гребенникова И. В. Уравнения математической физики : учебное пособие. — Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2016. — 164 с.
16. Кирдеев Ю. П., Белоусов И. Я., Ракогон А. И. Изготовление деталей с высокими тонкими стенками штамповкой кристаллизующегося алюминия // Кузнечноштамповочное производство. 2002. № 3. С. 9–11.
17. Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М. и др. Физические величины : cправочник ; под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

ЛИТЬЕ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ (ЖИДКАЯ ШТАМПОВКА)

Процесс литья с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка) заключается в том, что расплав ковшом или заливочным устройством заливают в матрицу пресс-формы, затем пуансоном осуществляют окончательное оформление контуров отливки и последующее ее уплотнение с выдержкой под давлением до окончания затвердевания (рис. 28.1). После извлечения из пресс-формы отливку можно подвергать различным видам последующей обработки (термической, механической и т.д.).

Подготовка пресс-форм заключается в установке и закреплении матрицы на столе пресса, а пуансона — на подвижной его траверсе, нагреве пресс- формы до рабочей температуры (150—250°С), смазке и окраске рабочих поверхностей. В отличие от обычных кокилей и пресс-форм литья под давлением заливку расплава проводят в открытую матрицу. После заливки сплава опускается пуансон, осуществляется окончательное формообразование отливки и выдержка ее под заданным давлением до окончания затвердевания. Матрица перекрывается пуансоном после заливки расплава, когда траверса пресса перемещается вниз.

Время до приложения давления к расплаву должно быть минимальным. Оно зависит от усилия гидравлического пресса, массы залитого расплава, времени опускания пуансона, конфигурации и толщины стенки отливки.

Рис. 28.1. Схемы литья с кристаллизацией под давлением:

а — в — пуансонное прессование — заливка расплава в матрицу; б — формообразование и уплотнение затвердевающей отливки; в — извлечение отливки из формы); г — поршневое прессование; 1 — матрица; 2 — расплав; 3 — заливочный ковш; 4 — пуансон;

Способом литья с кристаллизацией под давлением изготавливают простые и сложные по конфигурации отливки из цветных сплавов на основе алюминия, магния, меди, цинка и других металлов, как литейных, так и деформируемых. Процесс осуществляется па специализированных и неспециализированных гидравлических прессах и машинах со скоростью холостого хода ползуна не менее 100 мм/с.

Литье с кристаллизацией под давлением рекомендуется использовать для изготовления следующих отливок: с повышенной плотностью, а также для художественных отливок сложного профиля. В последнем случае формообразующая часть матрицы выполняется одноразовыми вкладышами.

В отличие от отливок, изготовленных литьем под давлением, отливки, изготовленные литьем с кристаллизацией под давлением, можно подвергать термической обработке, что позволяет существенно повысить механические и служебные свойства отливок и деталей.

В результате воздействия давления на кристаллизующийся сплав в отливках происходят структурные изменения (измельчение структуры, изменение состава и характера распределения фаз), повышение однородности в результате уменьшения степени развития ликвационных процессов, равномерное распределение неметаллических включений и, как следствие, повышение физико-механических показателей. При этом (по сравнению с другими способами литья) достигается повышение прочностных показателей отливок на 15—30% и пластических — в 2—4 раза.

Применяют несколько схем процесса. На рис. 28.1 представлены две схемы прессования.

При пуансонном прессовании (рис. 28.1, а —в) под действием выступающей части пуансона незатвердевший сплав выдавливается вверх до полного заполнения рабочей полости формы, оформляемой матрицей и пуансоном, после чего отливка выдерживается под давлением до окончания затвердевания.

При поршневом прессовании (рис. 28.1, г) давление кристаллизующемуся расплаву передается пуансоном, перекрывающим открытую полость матрицы и действующим на верхний торец формирующейся отливки в течение времени, необходимого для ее затвердевания.

Литьем с кристаллизацией под давлением можно изготавливать отливки с толщиной стенки 2—100 мм, а также слитки диаметром 30—600 мм. Для этого процесса предпочтительными являются такие отливки, для которых могут быть использованы пресс-формы с неразъемной матрицей. Поэтому на наружных боковых поверхностях отливок не должно быть выступов и поднутрений, препятствующих извлечению их из матрицы.

Литьем с кристаллизацией под давлением можно изготавливать проволоку из алюминиевых сплавов. На рис. 28.2 приведена схема пресс-формы для изготовления проволоки с помощью воздействия пуансона на расплав.

Перед заливкой расплав перегревают на 50—70°С и заливают в форму, снижая до минимума выдержку его в форме до начала приложения давления до 3 с. Температуру формы поддерживают на уровне 20—70°С. Давление прессования — 300—400 МПа.

После заливки расплава на боковой поверхности пресс-формы формируется тонкая корка из затвердевшего металла, достаточная для того, чтобы

Рис. 28.2. Схема пресс-формы для изготовления проволоки прессованием при кристаллизации в начале (а) и в конце (б) прессования:

1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — расплав; 4 — проволока; 5 — калиброванное отверстие; 6 — толкатель; 7 — отливка (пресс-остаток)

после приложения давления она «нарушалась» и расплав поступал в специально выполненное в матрице калиброванное отверстие 5 (см. рис. 28.2). Следует отметить, что на входе в отверстие корка имеет толщину меньше по сравнению с близлежащими слоями, так как она практически не соприкасается с формой. Перед началом прессования гидростатического напора расплава, залитого в форму, недостаточно для прорыва корки и истечения металла в отверстие. После приложения давления прочность корки нарушается, и металл выдавливается через отверстие в матрице, размер которого на входе составляет 0,5 мм. Истечение металла из отверстия продолжается до момента перекрытия нижней частью пуансона 1 входа в отверстие 5 или образования плотной корки металла на его входе. В конце прессования остается пресс-остаток, который может служить заготовкой для определенной детали 7, который выталкивается из пресс-формы толкателями 6.

Для изготовления художественных сложнопрофильных отливок применяется литье с кристаллизацией под давлением методом выдавливания жидкого расплава в закрытые полости (рис. 28.3). Указанный процесс осу-

Рис. 28.3. Схема выдавливания расплава в закрытые полости:

а — до соприкосновения с пуансоном; б — выдержка под давлением; 1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — расплав; 4 — затвердевшая корка; 5 — отливка; 6 — питатель; 7 — пресс-остаток; 8 — разовый вкладыш; 9 — выталкиватель ществляется в комбинированные формы на гидравлических прессах с малым усилием прессования и нижней подачей матрицы в верхнюю полость рабочего окна. При этом способе заливка проводится в матрицу, из которой сплав пуансоном вытесняется в рабочие полости.

До приложения давления не происходит даже частичного оформления отливки (см. рис. 28.3, а). Под давлением пуансона расплав но питателям, расположенным в прорезях пуансона, непосредственно из мсталлоирием- ника перетекает в рабочие полости пресс-формы и уплотняется (см. рис. 28.3, 6). Давление затвердевающей отливке передается через незатвердевшие участки питателей. При определенном соотношении площадей сечений питателя и отливки затвердевание может происходить как при минимальном давлении, так и при атмосферном. При этом формообразующие элементы можно изготавливать из гипса, керамики, полученной Шоу-процессом, а в ряде случаев применяют вставки из песка с нульвербакелитом.

При указанной технологии художественные отливки получаются плотные с высокой чистотой поверхности и хорошо извлекаются из пресс-формы.

ЖИДКАЯ ШТАМПОВКА

Жидкой штамповкой называют технологический процесс получения заготовок деталей, при котором кристаллизация жидкого металла, залитого в полость инструмента, происходит под высоким давлением. Это обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи и, следовательно, скорости охлаждения, поэтому структура металла получается более мелкозернистой, чем в отливках. Кристаллизация под давлением и деформирование предотвращают образование усадочных раковин и газовой пористости (так как растворимость водорода растет с повышением давления). В соответствии с этим получают повышенные механические свойства поковок. Наличие высоких давлений улучшает заполнение полостей штампов и качество поверхности. Используют разные схемы технологического процесса штамповки. По основной схеме металл заливают в полость штампа 2 (рис. 3.45, а), соответствующую форме поковки, сжимают пуансоном 1 и производят, таким образом, кристаллизацию под давлением (рис. 3.45, б). Вторая схема предусматривает частичное затвердевание металла под давлением в полости, отличной от окончательной формы поковки; затем следует деформация в полужидком состоянии до получения окончательных размеров поковки. В третьем случае после полной кристаллизации давлением следует деформация в твердом состоянии для получения окончательных размеров поковки. Эту схему надо отличать от встречающегося на производстве процесса горячей штамповки заготовки – отливки, кристаллизация которой происходила не под высоким давлением.

Рис. 3.45. Стадии процесса жидкой штамповки

Выплавка и дозированная заливка металлав полость штампа – первая стадия технологического процесса при всех схемах технологического процесса жидкой штамповки.

Выплавку металла могут производить или в объеме, необходимом для получения одной поковки, или в плавильном агрегате большего объема (чем необходимо для штамповки одной поковки) с последующей дозировкой при заливке металла в штамп. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки: в первом случае металл находится в расплавленном состоянии короткое время, что обеспечивает сохранение его химического состава, а плавильно-разливочные устройства с индукционным нагревом можно устанавливать на прессе непосредственно. В другом случае трудно поддерживать химический состав металла при длительной выдержке при температурах, выше температуры плавления; технически сложно дозировать жидкий металл на порции заданной массы. Однако необходимость плавления при первом способе каждой порции шихты с высокой скоростью (время расплавления 4 . 10 мин) для поддержания рабочего такта пресса требует индукционных нагревателей высокой мощности и большого расхода электроэнергии.

Для сталей считают предпочтительной выплывку в плавильно-разливных устройствах; для цветных металлов плавление и поддержание температуры расплавленного металла можно осуществлять в печах с большей емкостью.

При заливке очень важно поддерживать оптимальную температуру металла, достаточную для обеспечения его жидкотекучести и заполнения полости штампа и, с другой стороны, исключающую перегрев металла. Последний повышает термические нагрузки на инструмент и ухудшает структуру металла поковки. Необходимо исключить при заливке попадание шлаковых включений в расплавленный металл. Скорость заливки металла в штамп не должна быть излишне высокой, чтобы не разрушать рабочую поверхность штампа и исключить сварку заготовки со штампом. Для этого же используют защитное покрытие полости штампа на основе извести, графита, каолина и др.

Штамповку жидкого металлавыполняют на специализированных гидравлических и фрикционных прессах. Специализация прессов обусловлена необходимостью большой скорости холостого хода; регулируемым, плавным нажимом на пуансон без резких скачков его перемещения; необходимостью наличия выталкивателей и возможности монтажа плавильно-заливочных устройств. При установке штампа на пресс должна обеспечиваться тепловая изоляция между ними.

Штампы для жидкой штамповки в большинстве случаев состоят из трех формообразующих частей: вкладыша 2 (рис. 3.45), выталкивателя 3 (образующих матрицу) и пуансона 1, устанавливаемого на подвижном ползуне пресса. Большое значение имеет правильный зазор между пуансоном и матрицей, поскольку при большом зазоре возможно заклинивание, а при малом – приварка пуансона к вкладышу – матрице или задиры на контактирующих поверхностях. Материал штампов – чаще легированные молибденом стали; для цветных металлов рекомендуют углеродистые стали с максимальным содержанием углерода около 0,5 %.

Процесс штамповки – кристаллизация и последующая деформация металла в штампе – определяет качество полученной поковки. При этом важный параметр процесса – время от конца заливки матрицы жидким металлом до начала кристаллизации под необходимым минимальным давлением, а решающее условие получения качественной поковки – это время должно быть больше (или равно) времени подхода пуансона от верхнего исходного положения до закрытия штампа и времени, затрачиваемого на развитие минимально необходимого давления в полости штампа. Кристаллизация под таким давлением – определяющий фактор для формирования мелкозернистой, плотной структуры металла и повышения его механических свойств. Величину давления рекомендуют применять в диапазоне 100 . 500 МПа, а время выдержки под давлением зависит от сложности и размеров поковки и составляет 2 . 10 с.

Область применения жидкой штамповкиопределяют прежде всего преимущества этого процесса перед литейной технологией и традиционными процессами горячей объемной штамповки. По сравнению с отливками поковки, изготовленные методом жидкой штамповки, обладают более высокими механическими и эксплуатационными характеристиками; более высокой точностью размеров, меньшим расходом металла (нет прибылей, литниковых систем и т.д.). В отличие от поковок, полученных традиционными способами горячей объемной штамповки, жидкой штамповкой изготовляют поковки как с толстыми, так и с тонкими стенками; без перемычек в отверстиях; с меньшим числом переходов; с меньшими затратами на механическую обработку и другими материально-энергетическими затратами.

Вместе с тем процесс жидкой штамповки требует больших затрат на инструмент, усугубляющихся его недостаточной стойкостью, особенно при штамповке стали. Так, число поковок, отштампованных на одном штампе из стали, составляет несколько сотен, а поковок из цветных металлов – несколько десятков тысяч.

Жидкой штамповкой производят для нужд машиностроения и приборостроения большое число разных по сложности поковок массой ориентировочно до 10 кг.

Читайте также:  Как устранить течь в алюминиевом радиаторе автомобиля
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector
Металлообработка
НазваниеТехнологические режимы жидкой штамповки алюминиевого сплава АК7
DOI10.17580/tsm.2018.11.12
АвторСосенушкин Е. Н., Яновская Е. А., Иванов К. Н., Кинжаев Т. А.
Информация об авторе
Ключевые словаЖидкая штамповка, кристаллизация, давление, температура, время, математическая модель, структура
Библиографический список