Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Система смазки при теплом выдавливании и ковке, при горячей и изотермической ковке, при ковке молотом.
Главная страницаКарта сайтаe-mail

28.11.2012
Система смазки при теплом выдавливании и ковке, при горячей и изотермической ковке, при ковке молотом.

1. Теплое выдавливание и ковка

 Предел текучести уменьшается с увеличением температуры детали, вследствие чего снижается необходимое для формования усилие и увеличивается способность материала к обработке. Этот эффект находит широкое применение, особенно при работе на высокоскоростных многоступенчатых прессах, поскольку при формовании всегда выделяется тепло (до 250 °С), даже при холодном выдавливании (без предварительного подогрева деталей). На рис. 1, а показано изменение предела текучести в зависимости от деформации и температуры.
На рис. 1, б показано снижение усилия формования в зависимости от изменения температуры детали при выдавливании заготовки гайки.

Теплое формование

Детали с высоким натяжением также производят при теплом выдавливании, но при этом трибологические проблемы встречаются чаще, чем при холодном выдавливании. Некоторые процессы теплого выдавливания приводят к высокому износу оборудования и снижению срока его службы, который составляет около одной трети от срока службы оборудования при холодном выдавливании. Проводились исследования по выбору быстрых и надежных способов оценки смазочных материалов, основанных на определении срока службы оборудования. Теплое формование проводят в температурном интервале от холодного формования до температуры рекристаллизации, т. е. для сталей в интервале от 300 до 800 °С. Для других материалов, например алюминия, эти величины могут быть значительно ниже.
   Теплое формование имеет большое значение для высоколегированных сталей и специальных материалов. Этот процесс применяют в случаях, когда детали не могут быть произведены холодным формованием или процесс теплого формования является экономически более целесообразным. Высокое качество и точное соответствие заданным размерам, которые не могут быть достигнуты при теплом выдавливании, обеспечивают прецизионной ковкой.
   Фосфатный слой целесообразно применять для процессов холодного выдавливания при температуре ниже 400 °С. Однако усилия формования при такой температуре, как правило, малы, в связи с чем отсутствует необходимость в преобразовании слоев и, соответственно, основными требованиями к смазочному материалу являются снижение коэффициента трения и стабильность. В большинстве случаев применение смазочных материалов необходимо для теплого выдавливания из-за высоких производственных скоростей, высоких нагрузок на оборудование и жестких требований, предъявляемых к деталям (покрытие биллета) и оборудованию (смазывание штампа). Покрытие биллета для некоторых материалов является защитой поверхности этих материалов от окисления. Если смазочные материалы классифицируют по температуре предварительно нагретой детали, то необходимо иметь в виду, что при нагрузке температура может варьировать в зависимости от типа оборудования и условий эксплуатации. Температура оборудования имеет меньшее значение по сравнению с температурой детали в случае, если смазочный материал наносят на поверхность оборудования. Это может приводить к неточностям в классификации по температуре. Способность или неспособность смазочного материала выполнять свои функции может быть определена при кольцевом испытании на осадку.

1.1. Температурный интервал 200-350 °С

Цинкфосфатное покрытие является несущим слоем: наиболее важным смазочным материалом являются масла на минеральной основе с высокой температурой вспышки, полигликоли и полибутены, способные обеспечивать требуемый уровень смазки при температурах до 300 °С и используемые в циркуляционной смазочной системе. Применяют также такие твердые смазочные материалы, как MoS2 и графит, в виде суспензий в указанных выше жидкостях или воде. При их применении для ускорения испарения температура поверхности оборудования должна быть выше 150 °С. Использование смазочного материала не должно приводить к излишнему охлаждению рабочей детали.

1.2. Температурный интервал 350-500 °С

В данном температурном интервале температуры используют графит, диспергированный в воде или органических средах. В этом случае при необходимости допускается разложение синтетического полимерного масла. Пределы термической стойкости смазочного материала аналогичны соответствующим величинам для MoSr Успешно применяют также водорастворимые соли с температурой плавления 300-400 °С.

1.3. Температурный интервал 500- 600 °С

В данном случае используют графит, диспергированный в воде и наносимый спреем. При использовании смеси графита с MoS2 во избежание разложения последнего к смеси добавляют порошок оксида бора (В2O3). Твердые смазочные материалы должны подвергаться плавлению без окисления. Температура плавления В2O3 составляет 460 °С.

1.4. Температурный интервал свыше 600 °С

В этом случае технология применения смазочных материалов аналогична методам, применяемым при горячей ковке. Факторами, влияющими на выбор смазочного материала, являются температура оборудования и время выдержки в контакте с горячей деталью. В качестве смазочного материала наиболее часто используют диспергированный в воде или водорастворимых органических средах графит и силикаты, но последние очень трудно поддаются удалению. Кроме графита, в отдельных случаях может применяться и сульфид цинка — как в виде единственного компонента, так и в смеси с графитом и водорастворимыми органическими средами, например полигликолями. Процесс теплого выдавливания наиболее часто применяют на многостадийных стендах при изготовлении деталей небольшой массы при 500— 700 °С. На проволоку, обработанную графитом, после стадии резания наносят спреем графитовую суспензию, прежде чем отправить проволоку на формование. Для применения данного метода необходимо развитие технологии нанесения спреем, согласованного с движением машины. Сложность процесса теплой ковки (при температуре 750 °С) иллюстрирует схема технологической линии, приведенная на рис. 2.

Линия теплой ковки

2. Система смазки при горячей ковке

Горячий материал детали (в случае стали нагретый до температуры 1200 °С) в процессе ковки затекает во все полости штампа. Это происходит при высокой относительной скорости, которая зависит, прежде всего, от скорости ударной части (молот или ковочный пресс), и в меньшей степени — от самого штампа. Во время формования растекание материала происходит в следующей последовательности:
   • обработка горячей осадкой без значительного движения скольжения;
   • расширение с вертикальным потоком смазочного материала, направленным противоходом по отношению к движению инструмента при значительном движении скольжения; ;
   • растекание, обычно протекающее на последней стадии процесса после заполнения материалом выемок облоя, что значительно препятствует движению в ширину.
Полости в форме штампа также заполняются, и поток подвергается значительным нагрузкам со стороны инструмента в направлении движения инструмента. При этом имеет место относительное движение с большими потерями на трение и высокий износ инструмента. На рис. 3, а показаны различные нагрузки на инструмент, а на рис. 3, б рассмотрено влияние трения на устойчивость и сопротивляемость металла в выемках облоя.

Нагрузка на инструменты при ковке на штампе

Поток материала и, как следствие, операция заполнения штампа могут влиять на коэффициент облоя b/s и на действие смазочного материала. На рис. 4 показано, что при низком трении, обусловленном эффективностью смазочного материала в выемках облоя, происходит интенсивное затекание материала в облой, что препятствует заполнению полости штампа от заполнения и снижает подъем металла.

Влияние трения на заполнение штампа

В случаях когда при работе со сталью необходим большой подъем, коэффициент облоя должен составлять 5—10.

2.1. Требования к смазочным материалам для горячей ковки

К смазочным материалам, применяемым для смазывания штампа, предъявляются следующие требования:
   • хорошие смазывающие свойства, обеспечивающие оптимизацию потока, точное заполнение формы штампа, снижение износа инструмента, а также снижение усилия формования при большом относительном движении и высоких удельных нагрузках;
   • возможность легкого извлечения детали из штампа без залипания после формования;
   • эффективное выталкивающее действие для преодоления газообразования в результате пиролиза компонентов смазочного материала; в штампе создается давление газа, а смазочный материал образует разделительный слой, что препятствует залипанию в глубоких выемках штампа;
   • изолирующее и охлаждающее действие: охлаждение особенно необходимо при высоких термических нагрузках, которые имеют место при использовании смазочных материалов на водной основе. Изолирующий слой смазочного материала должен уменьшать теплопередачу между деталью и штампом во время формования, однако обычные смазочные средства не обеспечивают должного эффекта;
   • отсутствие проблем на рабочем месте, связанных с испарением или разложением смазочного материала (риска возникновения пожара, появления неприятного запаха, причинения вреда здоровью рабочих);
   • отсутствие коррозии инструмента и других деталей машин;
   • отсутствие образования отложений (продуктов разложения смазочного материала) на штампе в течение длительной эксплуатации;
   • отсутствие дизель-эффекта, способного приводить к поломке инструмента, возникновению глубоких рытвин в форме штампа;
   • простота и экономичность применения смазочного средства с учетом современных рабочих условий и возможность применения автоматических методов.
Основными свойствами, которыми должен обладать смазочный материал для выполнения указанных требований, являются:
   • полное и однородное смачивание поверхности при высокой температуре формуемой поверхности, при сложной геометрической форме и даже в случае недоступных выемок в штампе;
   • высокая термическая стабильность;
   • быстрое образование слоя соответствующей толщины, работоспособного при рабочей температуре штампа.

2.2. Методы испытания смазочных материалов

На рис. 5 приведены основные методы испытания смазочных материалов. Для определения противоизносных свойств необходимо от 500 до 1000 операций формования.

Методы испытания смазочных материалов для горячей ковки

3. Горячая ковка стали

Температура детали может находиться в пределах 1100—1200 °С, а температура молота — 150—300 °С (максимум 500 °С). Во время формования температура, являющаяся средним арифметическим температуры молота и детали, может на 50 °С превышать температуру смазочного слоя. При температуре молота 250 °С и температуре детали 1200 °С температура смазочного слоя находится в пределе 725—775 °С. Под воздействием высокой температуры в смазочном материале протекают реакции, которые зависят от времени в соответствии с кинематическими правилами; большое значение имеют время контакта между частью детали, подвергающейся ковке, и смазочным материалом (при использовании ковочного пресса время контакта составляет 50-100 мс). В процессе ковки на рабочей поверхности молота могут накапливаться оксиды и нитриты с обрабатываемых деталей. Эти отложения в сочетании со смазочным слоем оказывают влияние на процесс ковки.

3.1. Смазочные материалы

Использование графита в качестве смазочного материала имеет чрезвычайно большое значение благодаря стойкости графита к воздействию высокой температуры, а также экономичности в использовании и отсутствия вредного влияния на здоровье обслуживающего персонала. Графит наносят в виде водного или масляного коллоидного раствора либо в виде пасты. Использование графита привело к отказу от применения таких смазочных средств, как древесные опилки, высоковязкое масло (тяжелое смазочное масло), сажа. Чаще всего графит используют в виде водной суспензии. В этом случае проблемы смачивания, особенно при высокой температуре ковки, преодолевают за счет применения эмульсий или истинного раствора органического компонента с ПАВ. Для снижения трения вводят неорганические соли (щелочные карбонаты или бикарбонаты) или органические соединения в виде водных растворов или суспензий. Введение силикатов или боратов позволяет образовывать прочные поверхностные пленки смазочного материала. В табл. 1 приведены примеры композиций смазочных материалов для ковки на водной основе с функциями индивидуальных присадок.

 

 Таблица 1. Смазочные материалы на водной основе для ковки

Название соединения

 %масс.

Дополнительные функции

 Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ)

0,77

 Загуститель; агент, облегчающий образование суспензии
 Водная 30%-ная суспензия графита

36,60

 Смазочный эффект и эффект разделения
 Молибдат натрия

5,00

 Смазочный эффект и эффект разделения расплавленной массы, защита от коррозии, связующий агент
 Пентаборат натрия

3,18

 Смачивающий эффект, образование пленки со смазочными свойствами; хорошая адгезия к металлу, связующий агент
 Бикарбонат натрия

4,83

 Снижение трения в результате образования разделительного слоя из СO2, образование смазочной пленки, смачивание, уменьшение образования нагара
 Этиленгликоль

9,02

 Снижение трения, уменьшение образования нагара, антифрикционное действие
 Вода

38,60

 Основа, охлаждающий эффект



   Если температура молота не превышает 200 °С или даже 150 °С, то при применении смазочного материала на водной основе в зависимости от времени испарения не наблюдается образования пленки. В этом случае следует использовать в качестве основы органические соединения, которые либо быстрее испаряются, либо образуют масляную пленку. Однако при этом следует иметь в виду, что выбранное синтетическое полимерное соединение не должно образовывать токсичных мономеров в результате деполимеризации при горячей ковке. В отдельных случаях наряду с маслами используют графитовую пасту. В некоторых случаях для ковки применяют бесцветные смазочные материалы. При этом вместо графита используют другие твердые смазочные материалы (нитрид бора, сульфид цинка) или неорганические соли (силикаты, фосфаты). Если смазочный слой получает из истинного водного раствора неорганического или органического соединения, то, в отличие от суспензий твердых компонентов,и не образует никаких отложений. Кроме того, предпочтительнее использовать бесцветные растворы, не содержащие графита. Однако необходимо учитывать, что инертный графит полностью безвреден с токсикологической точки зрения, а бесцветные смазочные материалы, как правило, оказывают вредное влияние на здоровье рабочих вследствие токсичности продуктов разложения.

4. Ковка алюминия

Ковка алюминия и его сплавов приобретает все большее значение из-за его относительно малого веса и исключительных механических свойств. Из-за проблем с адгезией технология обычных механических процессов с высокой степенью деформации еще недостаточно развита, но она продолжает развиваться, особенно в отношении трибологических характеристик. Наиболее широко применяемым смазочным материалом является диспергированный в воде графит.
   Для процессов ковки алюминия в целях соблюдения чистоты рабочего места используют смазочные материалы, не содержащие графита, однако это приводит к осложнению условий трения, а также увеличению абразивного износа и задиров. Используют также эмульсии на масляной основе. Масляный компонент является не только основой и выполняет функции охлаждающего агента, но и снижает трение и износ. Сочетание водяной и масляной основ применяют в случаях, когда используются смеси водных эмульсий с маслами, содержащими графит. Однако применение таких смесей незначительно. Водные эмульсии применяют для специальных проессов ковки, например изотермической ковки сплавов алюминия для авиационной промышленности. Инструменты, используемые в процессах выдавливания, часто имеют специальные покрытия (TiN, TiAIN, TiCN).

5. Изотермическая ковка и ковка горячим молотом

Производство деталей из сплавов титана ковкой широко применяется и будет развиваться в дальнейшем в связи с развитием авиационной промышленности. Изотермическая ковка — это процесс, при котором деталь и молот нагреваются до одной и той же высокой температуры. В отличие от нормальной ковки, усилие формования постоянно передается от гидравлического пресса на деталь за более длительный период контакта. После ковки применяют операцию тарирования. Двухфазные α-β-титановые сплавы формуют при температуре 900-980 °С, α-β-титановые сплавы — при температуре 700-850 °С. В отношении смазочных материалов наиболее жесткие требования предъявляют к их термической стабильности. Кроме того, смазочная пленка должна выдерживать высокую температуру как на поверхности детали, так и на поверхности инструмента. Смазочные материалы не должны вызывать коррозии детали и инструмента. Часто при отсутствии возможности обеспечения смазывания инструмента смазочный материал на водной основе или на основе органических соединений наносят на деталь. Эффективным смазочным материалом является стекло с введенным в него карбидом титана (размер частиц 1—8 мкм). Ниже приводятся смазочные композиции для α-β-титановых сплавов (цифры указывают на содержание компонентов %масс):
   • 35 — стеклообразное вещество (SiO2, В2O3, CaO, FeO);
   • 3 — карбид титана TiC;
   • 54 — жидкая органическая основа;
   • 8 — акриловый полимер — связующий агент или
   • 14 — нитрат бора;
   • 86 — стеклообразное вещество (67% — В2O3, 33% — силикатное стекло).
Стекло образует вязкий слой на горячей поверхности и обеспечивает смазывание и защиту от окисления.
Эффективным интервалом вязкости является 20 000— 100 000 м Па. Для некоторых сплавов алюминия используют также изотермическую ковку.

6. Применение и выбор смазочного материала

Предпочтительным способом нанесения смазочного материала является разбрызгивание спреем. Этот способ должен быть применим ко всем четырем типам смазочных материалов: окрашенным (неорганическим), бесцветным (органическим), смесям (органических и неорганических компонентов), эмульсиям (органическим). X. Зайдель обобщил применение смазочных материалов для сложных деталей: при формовке больших и сложных деталей используют следующие способы нанесения смазочных материалов:
   • спрей;
   • полив;
   • погружение;
   • захлебывание.

Простые методы нанесения, такие как нанесение поршнем или щетками, не требуют дополнительных комментариев. Наиболее широко используемым методом нанесения является разбрызгивание спреем. При необходимости предварительной обработки для нанесения смазочного материала применяют методы погружения или полива, например, покрытие биллета в процессе теплой ковки. «Захлебывание» (или полив из шланга для охлаждения) применяют при высокоскоростной ковке, при которой, помимо смазывающего эффекта, необходимо обеспечить отвод тепла, т. е. охлаждение. Смазывание является не единственной функцией смазочных материалов для ковки. Их применение представляет собой довольно сложный процесс, зависящий от используемого смазочного материала. На рис.6 приведены различные способы нанесения спреем.

Методы распыления при ковке молотом

Современное оборудование для нанесения спреем является довольно сложным даже при самом аккуратном применении — сложные насосы, клапаны и головки распыления должны обеспечивать надежную работу. Возможные блокировки форсунок и труб должны быть сведены к минимуму за счет соответствующих технологических приемов (например, использования байпасов). Это означает, что жидкость должна исправно поставляться к форсунке спрея, что очень важно для автоматического процесса ковки. На рис. 7 изображена схема процесса автоматического распыления.

Автоматические распылительные системы для нанесения смазки при ковке

Распылительные устройства, поддерживаемые с помощью штанги, помещают в зону инструмента через отверстие со стороны ковочного пресса; отверстия в молоте очищают воздухом, после чего смазочный материал разбрызгивают форсункой. Толщина смазочного слоя зависит от концентрации смазочного материала и времени разбрызгивания. Конструкция форсунок может быть оптимизирована. Смазочные материалы должны быть стабильными, легко гомогенизироваться перед употреблением, а также обладать устойчивостью к бактериологическому воздействию в процессе циркуляции и при хранении. В табл. 2 приведен примерный состав смазочного материала — пигмент, основа и наиболее часто применяемые концентрации.

 

Таблица 2. Рекомендуемые смазочные материалы для процессов ковки

Материал

Пигмент

Основа

Содержание пигмента, %

 Алюминий  Графит  Растворитель масла, вода

5-15

 Алюминий, латунь  Графит  Растворитель, легкое масло, вода

2-8

 Алюминий, латунь, углеродистая сталь  Графит или другие пигменты  Вода, растворитель, масло

2-8

 Углеродистая сталь, высоколегированные стали  Графит  Вода, масло

2—8, а также 2—12

 Суперсплавы, титан  Стекло (керамика и графит)  Спирт, вода, другие растворители

Графит — 2—8 Керамика в исходном виде



Использование бесцветных смазочных материалов, не содержащих графита, вызывает большие споры. Преимуществом смазочных материалов данного типа, производство которых в последнее время расширяется, является чистота рабочего места. Данная группа смазочных материалов получает все большее распространение, хотя по смазывающим свойствам и стоимостным показателям она уступает композициям, содержащим диспергированный графит, особенно классическим графитовым композициям на водной основе. Система смазки для теплой и горячей ковки (производственная линия Fuchs Lubritech Gmbh (Lubrodaf), разработана ведущими специалистами в области смазочных материалов для процессов ковки) показана на рис. 8.

Жидкие смазочные системы для теплой и горячей ковки




Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com