|
Эксперт-ойл / Статьи / Трение и смазка при холодной ковке и холодном выдавливании
|
|
27.11.2012
|
|
В таблице приведен процесс утонения листового материала при вытяжке как один из способов формования. Для удобства сравнения введены специальные относительные безразмерные величины. Максимальное значение поверхностного давления Pmax отнесено к начальному напряжению текучести kfo, относительная скорость определяется как отношение скорости заготовки VR к скорости оборудования, расширение поверхности характеризуется отношением начальной и конечной площади поверхности A1 /А0. Введение этих величин позволяет оценить условия трения и выбрать соответствующий смазочный материал с помощью испытательных стендов.
Скольжение между оборудованием и заготовкой, возникшее при высоких удельных нагрузках и значительном расширении поверхности, приводит к значительным потерям на трение. На преодоление трения приходится до 60% силы давления. Основной целью применения смазочного материала является не только снижение трения, но и уменьшение износа материала и повышение качества обработки поверхности детали. За счет замены мылосодержащих смазочных материалов на твердые при очень высоких напряжениях высокий коэффициент трения обеспечивает высокое сопротивление нагрузке и снижение износа оборудования. При испытаниях смазочных материалов основным критерием для оценки является коэффициент трения. Кольцевая горизонтальноковочная или плющильная машина долгое время использовалась для оценки характеристик трения и смазочных материалов для холодного выдавливания. После соответствующей доработки плоские трущиеся поверхности полого цилиндра зажимают между пластинами на двух уровнях. При определенных допущениях коэффициент трения рассчитывают только по изменению внутреннего диаметра цилиндра. Этот метод имеет хорошую корреляцию с горячей и теплой ковкой. На рис. 4 показаны изменения геометрии цилиндра во время испытаний при высоком и низком коэффициенте трения. При определении коэффициента трения определяли также температуру образца.
Более удобными способами выбора смазочных материалов для холодного выдавливания являются те, которые ближе всего к практическим рабочим условиям с большими напряжениями. Как правило, в приведенном методе испытания давление на поверхность не более 1000 Н/мм2 возникает при ф не менее 0,7и увеличении поверхности цилиндра только в три раза. Поэтому процессы выдавливания в экстремальных условиях, особенно при пустотелом обратном выдавливании, рассматриваются как способ оценки смазочных материалов. В этом случае за основной критерий принимают максимальную высоту чаши без канавок (рис. 5).
3.2. Критерии выбора смазочных материалов и технологии смазки
Создание базы данных связано с рядом серьезных трудностей. Помимо характеристик самого материала (напряжение текучести — и их изменений в соответствии со степенью формования, следует принимать во внимание и различные степени формования в процессе самого формования, различные условия трения (например, пустотелое обратное выдавливание), требования к качеству поверхностей заготовок, допустимый износ оборудования, а также технологию процесса (многостадийный или одностадийный пресс). Затраты на выбор смазочного материала и получение поверхности требуемого качества превышают стоимость самого процесса формования. В связи с тем что процесс формования проводят на различных машинах, результаты формования очень сильно зависят от выбора и применения смазочного материала. Независимо от количества стадий процесса формования важно обеспечить максимально высокое качество поверхности детали после последней операции. На рис. 6 приведена диаграмма последовательных операций при холодном выдавливании.
Из приведенной диаграммы видно (рис.6, г), что для производства катаной проволоки используют пятистадийный стан. В качестве исходного материала выгоднее использовать катаную проволоку, чем холоднотянутую проволоку или прут. На стадии вытягивания допустимо применение смазочного материала для последующих стадий выдавливания через вытяжной прибор. Многостадийные процессы такого типа (рис. 6, в, г) используют для массового производства гаек, муфт, болтов и подобных деталей. После стадий выдавливания следуют процессы с резанием или без него (нарезание резьбы, накатывание резьбы).
3.3. Смазочные масла для процессов холодного выдавливания стали (масла для выдавливания)
При рассмотрении условий смазывания процессов выдавливания основное внимание следует обращать на такие операции, как нанесение фосфатного или оксалатного покрытия, особенно при использовании твердого смазочного покрытия или мылосодержащих смазочных материалов. При производстве гаек, муфт, болтов и подобных деталей на многостадийных прессах масла для выдавливания, используемые в циркуляционных системах, должны обеспечивать не только функции смазывания, но и функции охлаждения. При простых процессах, особенно при производстве каркасных деталей осадкой давлением, смазочное покрытие наносить не обязательно. Часто при вытягивании проволоки на ее поверхности остается пленка извести, сухого мыла или фосфатов, что имеет большое значение при выборе смазочного материала для процессов выдавливания. В качестве смазочного материала используют противозадирные масла, особенно при получении проволоки из заготовок без предварительной обработки резаных поверхностей. Для производства оборудования с длительным сроком службы в процессах формования используют очень активные противозадирные компоненты, например при производстве внутренних квадратных винтов с головкой под торцевой ключ.
Помимо смазывающих свойств, масла для выдавливания должны обладать высокой термической стабильностью, поскольку при выдавливании может происходить местный перегрев как заготовки, так и оборудования, и температура в циркуляционной масляной системе может превышать 90 °С. Эти масла должны обеспечивать отвод тепла, особенно в случае применения высокоскоростных автоматов, а также не должны образовывать адгезионных отложений при высокой температуре, что может вызвать сбои в процессе. Кроме того, такие масла должны иметь низкую испаряемость, не иметь неприятного запаха и не образовывать масляного тумана. К использованию рекомендуют масла, обладающие комплексом указанных свойств.
Масла для выдавливания наносят на поверхность оборудования и заготовок либо распылением, либо погружением оборудования в масло. В процессе формования масла подвергаются очень высоким нагрузкам, которые могут привести к самовозгоранию и поломке оборудования. Во избежание этого необходимы как правильный выбор соответствующих смазочных материалов, так и доработка самого оборудования.
Вязкость масел для выдавливания варьирует от 30 до 120 мм/с при 40 °С. Предпочтительный интервал вязкости составляет 35-65 мм/с при 40 °С. Критериями для выбора исходной вязкости служат температура заготовки, размеры выдавливаемой части, прокачиваемость, а специфическим критерием при переходе от одной стадии процесса к другой является способность к загущению в результате обогащения фосфатами при фосфатировании металла. Если операции с резанием или без резания проводят с использованием масел для выдавливания, необходим компромисс между вязкостью и использованием соответствующих присадок. Противозадирные присадки, содержащие хлор и серу, играют большую роль в маслах для выдавливания. Присадки, содержащие хлор, утрачивают свое положение в Европе из-за рассмотренных выше экологических проблем. Помимо сульфированных насыщенных адсорбционных масел, в качестве основы смазочного материала могут применяться и другие полярные соединения, например термостойкие синтетические сложные эфиры. Основное различие между маслами для выдавливания и маслами, не смешиваемыми с водой для резания, заключается в содержании высокоактивных присадок. Сульфированные минеральные масла, сульфированные насыщенные адсорбционные масла и полисульфиды играют особую роль как носители серы. Диалкилдитиофосфат цинка дает возможность получать гладкую поверхность рабочей детали. Используют также сложные эфиры алкил- и арил-фосфорной кислоты и даже неполные эфиры фосфорной кислоты. Поскольку термическая стабильность является одной из важнейших характеристик смазочных масел, при использовании хлорсодержащих соединений необходимо учитывать их термическую стабильность из-за возможной коррозии как оборудования, так и выдавливаемой детали. Если в состав масла входят хлорсодержащие соединения, то после операции выдавливания рекомендуется очищать детали от остатков масла.
В редких случаях, когда противозадирные присадки, главным образом элементарная сера и сульфид цинка, нерастворимы в масле, используют их суспензии в этом масле. Однако из-за нестабильности суспензий возможно выпадение этих соединений в осадок (особенно при хранении), что может привести к остановке циркуляционной системы. На практике масла для выдавливания не только оказывают влияние на качество поверхности детали, но и увеличивают срок службы оборудования. При определении срока службы масла обращают внимание на то, чтобы за время работы как оборудование, так изготавливаемые детали не получили каких-либо повреждений: например, при производстве болтов в срок за время службы должно быть произведено от 15 000 до 60 000 шт. без повреждений, вызванных маслом. По основным областям применения, а также типу и количеству используемых присадок масла для выдавливания подразделяют на четыре группы:
• для стандартных шурупов и высокопрочных шестигранных болтов: масла с полярными присадками и фосфорсодержащими противозадирными присадками (применимы для цветных металлов);
• для болтов больших размеров и шестигранных гаек, получаемых на многоступенчатых прессах из оцинкованной фосфатированной проволоки: масла с полярными противозадирными присадками, активная медь;
• для цилиндрических болтов большого размера с внутренним шестигранным вырезом или внутренними зубцами, изготовленных из проволоки после многоступенчатого пресса: масла с определенным содержанием полярных соединений и противозадирными присадками на основе серосодержащих соединений, активная медь;
• для высокопрочной нержавеющей и кислотоустойчивой стали, подвергаемой деформации высшего порядка: масла с максимальной степенью компаундирования и высоким содержанием противозадирных присадок на основе хлор-, серо-, фосфорсодержащих соединений, активная медь. В дальнейшем предполагается расширение применения термически стабильных биоразлагаемых масел с исключительно высокими трибологическими характеристиками на основе сложных эфиров.
3.4. Фосфатные покрытия и мыльная смазка при холодном выдавливании стали
Выдавливание стали можно осуществлять с использованием фосфатизации (Зингер, патент Германии 1934), если отказаться от довольно простых операций обработки стали горячей осадкой и выдавливанием. До настоящего времени фосфатизация остается наиболее важным методом обработки поверхности для холодного выдавливания стали и продолжает совершенствоваться наряду с другими системами смазки. Данный метод основан на уникальном свойстве слоев фосфатов цинка сохраняться без разрушения на поверхности стали в условиях расширения ее поверхности при выдавливании. Доказано, что слои фосфатов цинка сохраняются на поверхности стали и сохраняют свои смазывающие свойства даже при двадцатикратном увеличении поверхности.
Увеличение площади зависит от геометрии как детали, так и инструмента и неодинаково для различных фасонных поверхностей. В случае обратного выдавливания чашей — пустотелого обратного выдавливания — конструкция чаши оказывает определяющее влияние на степень расширения поверхности. Если при выдавливании чашей рабочая деталь под штампом изменяет свою форму в малой степени, то толщина значительной доли фосфатного и смазочного слоя оказывается недостаточной для эффективной смазки стенок чаши. Улучшение достигается за счет значительного закругления штампа, при этом наиболее эффективной является полусферическая форма. Степень расширения поверхности можно определять с помощью маркированной кольцевой области на конце заготовки (рис. 7).
Для определения контура фосфатного слоя и смазывающего слоя могут применяться гравиметрические методы. Другим способом изучения деформации поверхности является маркировка слоя фосфата цинка радиоактивным фосфором. На рис. 8 показан контур смазочного слоя на чаше при холодном выдавливании.
Требования, предъявляемые к покрытиям на основе фосфата цинка
Во время выдавливания покрытие должно быть устойчиво к давлению и сдвигу и обеспечивать необходимую адгезию. Фосфатное покрытие должно иметь специфическую структуру и сродство к используемому смазочному материалу. При работе на многоступенчатых прессах для смазочного материала применяют мелкокристаллические покрытия толщиной около 5—7 мкм. При слишком большой толщине покрытия возможно образование фосфатных слоев на самом оборудовании. Рассматриваемая система предпочтительна для производства на многостадийных прессах различных мелких деталей — болтов, гаек, шурупов или металлических корпусов свечей зажигания.
При сочетании фосфата цинка и мылосодержащих смазочных материалов необходимо учитывать высокую реакционную способность фосфатного покрытия. Высокое содержание цинка и низкое содержание железа требуют высокой оборачиваемости смазывающих веществ на основе мыла. Толщина слоя от 15 до 20 мкм приемлема для фосфатных слоев крупнозернистой и тонкокристаллической структуры. Такие слои предпочтительны при производстве изделий средней и большой массы, а также при большом увеличении поверхности; типичным примером является производство больших контейнеров обратным полым выдавливанием. При использовании твердых смазочных средств с эффективной структурой (особенно графита и сульфида молибдена) в сочетании с цинкфосфатным покрытием толщина фосфатного слоя определяется методом, применимым к твердым смазочным материалам. Когда используются твердые смазочные средства, наносимые из водных суспензий, толщина крупнозернистого кристаллического фосфатного покрытия составляет 10—20 мкм. При использовании твердых смазочных компонентов в виде сухих порошков, наносимых с помощью барабанов, толщина тонкокристаллических слоев должна составлять около 5 мкм. Эти условия лучше всего подходят к производству деталей среднего веса с острыми краями.
Реакционноспособные мылосодержащие смазочные материалы
Щелочные мыла в сочетании с цинкфосфатным покрытием имеют большое значение. В этом случае происходит химическое взаимодействие фосфата цинка с мылом, что свидетельствует о высокой реакционной способности смазочного материала. Взаимодействие щелочного мыла с фосфатом цинка можно представить в виде следующего уравнения:
Zn3(PO4)2 + 6CH3(CH2)nCOONa → 3Zn[CH3(CH2)nCOO]2 + 2Na3 PO4
фосфат цинка + натриевое мыло → цинковое мыло + фосфат натрия
В результате этой реакции образуется цинковое мыло на поверхности фосфатного покрытия и проникает глубоко в поры. В зависимости от температуры, времени выдержки, концентрации и качества слоя около 50—60% фосфатного покрытия может вступить в реакцию. Тип мыла также оказывает влияние на это взаимодействие. Соли стеариновой кислоты более реакционно-способны, чем соли олеиновой и пальмитиновой кислот.
Образующиеся во время реакции цинковые мыла приводят к снижению коэффициента трения при формовании и тесно связаны с фосфатным слоем, что положительно влияет на условия трения. На рис. 9 показана структура смазочного слоя в сочетании с фосфатом цинка и мылом. При использовании мылосодержащих смазочных средств на поверхности металла образуется трехслойная структура, включающая фосфат цинка, цинковое мыло и щелочное мыло.
После формования на границе фосфатного слоя образуется смесь фосфата цинка, непрореагировавшего щелочного мыла и остатков фосфатного покрытия. Эта смесь в процессе формования создает на поверхности детали так называемое фосфатное зеркало. Если формованные детали на промежуточных стадиях подвергают отжигу перед дальнейшим формованием, то это фосфатное зеркало необходимо удалять. Удаление осуществляют с помощью щелочных чистящих средств с последующей операцией протравливания или дополнительной очистки.
Реакционно-способные мыла, поставляемые производителями в виде порошка или хлопьев, смешивают с водой для получения 2— 10%-ного мыльного раствора в зависимости от сложности процесса. Мыла наносят на поверхность детали погружением в ванну при температуре 60-85 °С на 2-6 мин. При обработке мелких деталей эту операцию осуществляют после фосфатизации в тех же барабанах без их смены. После нанесения слоя мыла детали просушивают горячим воздухом. Как правило, для получения наибольшего эффекта эту опера¬цию следует проводить за несколько часов до формования. Слишком толстые слои мылосодержащего смазочного материала оказывают негативное влияние на гео¬метрию контура детали, поскольку они могут оставаться на стенках оборудования. Среднее допустимое количество не прореагировавшего мыла составляет 1—5 г/мл. Помимо щелочных мыл, эффективные мылосодержашие смазочные материалы содержат присадки, улучшающие их смазочные свойства и повышающие щелочность, а также (при необходимости) такие наполнители, как тальк и другие смазочные и вспомогательные компоненты. Если во время процесса погружения детали остаются в ванне слишком долго, то фосфатный слой может отслоиться, что отрицательно влияет на процесс формования и срок службы раствора. Разработаны продукты, позволяющие сдерживать протекание нежелательных реакций после определенного периода времени. Некоторые из них представляют собой мыла, содержащие, например, щелочные фосфаты, такие кактрифосфат натрия и активные анионные соединения фосфатов. Срок службы деталей может быть увеличен обессоливанием, например посредством центрифугирования. Накопление оставшихся после центрифугированных соединений, например фосфатов натрия, приводит к уменьшению толщины слоя мыльной смазки и определяет срок смены раствора.
3.5. Твердые смазочные материалы для холодного выдавливания стали
Мыльные смазки в сочетании с цинкфосфатным покрытием используют для производства деталей большого и среднего размеров, в то время как для мелких деталей предпочтительнее применять твердые смазочные материалы, особенно дисульфид молибдена (MoS2). Как правило, твердые смазочные материалы наносят на фосфатный слой в виде сухого порошка обработкой в поворотном барабане или из водной суспензии погружением или разбрызгиванием. Нанесение погружением осуществляют в специальных барабанах или во вращающихся чанах, закрытых сеткой. Иногда твердые смазочные материалы используют в виде суспензий в минеральных или синтетических маслах или даже растворов. В особых случаях этот метод может решить проблемы смачивания даже лучше, чем водные суспензии. Однако водные дисперсные системы все же имеют больше преимуществ по сравнению с органическими растворителями как жидкости-носители благодаря своему сродству с окружающей средой и лучшему смачиванию поверхности рабочих деталей.
Галтовка
После сушки фосфатированных деталей на их поверхность наносят сухой порошок на основе MoS2, а в некоторых случаях — даже на основе графита или других твердых смазочных материалов. Средний вес слоя, рекомендуемый для MoS2, составляет от 10 до 25 т/и2. В результате механических нагрузок в процессе галтовки фосфатный слой выравнивается и частицы фосфатного слоя смешиваются с избытком порошкообразного смазочного материала и делают его непригодным для дальнейшего использования. Как правило, требуются износостойкие фосфатные слои с минимальными неровностями поверхности, позволяющие формировать плотные мелкокристаллические фосфатные слои толщиной около 5 мкм. В результате процесса галтовки чешуйки твердого смазочного материала прессуют в направлении кристаллов параллельно поверхности детали. Недостатком является разрушение фосфатного слоя (рис. 10). В редких случаях детали, обработанные мылосодержащими смазочными средствами, подвергают процессу галтовки с сухим порошком смазочного материала.
Погружение в суспензию
Влажное нанесение твердого смазочного материала из водной суспензии может быть объединено с процессом предварительной фосфатизации и осуществляться вместо нанесения мылосодержащего смазочного компонента. При применении мылосодержащего смазочного компонента используется тот же барабан, что и для фосфатизации, при нанесении MoS2 из водной суспензии необходима смена барабана. После погружения деталей барабан вращается некоторое время с низкой скоростью, затем детали просушивают, избыток неориентированного смазочного компонента удаляют, после чего барабан вращается еще несколько минут (рис. 11). В данном случае вес покрытия колеблется от 5 до 15 г/м2.
Процесс предварительной обработки в целях нанесения несущего смазочного слоя и применение самого смазочного материала составляют значительную часть затрат в процессе холодного выдавливания, для снижения которых применяют различные подходы. Так, например, достигнуты определенные успехи по объединению процессов фосфатизации и нанесения слоев MoS2 в одной ванне в одну операцию. На рис. 12 приведена схема такого процесса в сравнении с процессом нанесения мылосодержащего смазочного средства.
Оптимизация процесса включает использование новых материалов для оборудования и покрытий, новых высокоэффективных смазочных материалов (например, специальных эфиров), отказ от дорогостоящей фосфатизации и использование в некоторых случаях твердых смазочных компонентов (рис. 12, в).
Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.
Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД) |