НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Краєв Максим Валерійович

УДК 621.7

РЕЖИМИ ЛИСТОВОГО ШТАМПУВАННЯ ХРОМОНІКЕЛЕВОЇ АУСТЕНІТНОЇ СТАЛІ З УРАХУВАННЯМ ВПЛИВУ ДЕФОРМАЦІЙНО-СТРУКТУРНИХ ФАКТОРІВ НА ФОРМОЗМІНУ ТА ВЛАСТИВОСТІ ВИРОБІВ

Спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, доцент Гринкевич Володимир Олександрович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, доцент кафедри “Обробки металів тиском”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Стеблюк Володимир Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, професор кафедри “Механіка пластичності матеріалів і ресурсозберігаючих процесів”;

кандидат технічних наук, доцент Явтушенко Олександр Вікторович, Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, доцент кафедри “Обробки металів тиском”.

Провідна установа:

Приазовський державний технічний університет (кафедра ковальсько-штампувального виробництва) Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Захист відбудеться “20” березня 2007 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розісланий “17” лютого 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Должанський А. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед нержавіючих сталей найбільше розповсюдження мають порожнисті циліндричні вироби зі сталі типу 12Х18Н10Т. Їх виготовлення – трудомісткий технологічний процес, який зазвичай має декілька операцій формування чи стоншення стінки. Враховуючи здатність аустенітної сталі до зміцнення, в технологію закладаються операції проміжної знеміцнюючої термічної обробки – гартування. Проте, мала товщина стінки деталі може обмежити можливість використання термічної обробки з причини небезпеки що до її спалення.

В останній час виготовлення виробів з нержавіючої сталі має дрібносерійний характер та, в тому числі, здійснюється на малих підприємствах. На таких підприємствах часто відсутня технічна можливість будь-якої термічної обробки. Також може бути відсутня можливість придбання заготовок потрібного розміру. В цих умовах намагаються штампувати деталі з заготовок, які вже є в наявності. Для виготовлення виробів розкочуванням можуть використовуватися порожнисті заготовки з довільним співвідношенням діаметра та товщини стінки. Використання для розкочування заготовок, що були попередньо зміцнені холодним штампуванням дозволяє отримувати вироби з найбільш високими властивостями сталі. Все це обумовлює використання операцій обтиску трубчастої чи витяжки листової заготовок та пошук шляхів підвищення cтійкості заготовки під час формозміни. Як найчастіше, для операцій обтиску чи витяжки використовуються матриці з конічною формою їх робочої поверхні.

Недостатньо з’ясовані умови стійкої формозміни обтиском заготовок з хромонікелевої аустенітної сталі. Особливо мало інформації по багатоперехідному обтиску цих заготовок, з визначенням умов штампування для підвищення їх сумарного ступеню деформації. Головною причиною, яка обмежує формозміну трубчастої заготовки обтиском, є її поперечне чи повздовжнє складкоутворення. Стійкість заготовки під час штампування залежить від двох основних факторів: інтенсивного зміцнення сталі під час деформації та геометричних параметрів заготовки (відношення діаметра до товщини стінки).

Відомий ефект підвищення пластичних властивостей металу за рахунок деформаційного мартенситного перетворення. Враховуючи зміну фазового складу сталі під час деформації, можливе підвищення межі формозміни заготовок без втрати стійкості. Вплив структурних перетворень в сталі на формозмінення заготовок в процесі штампування вивчено недостатньо.

Фактором, що ускладнює вирішення цієї проблеми, є низка особливих вимог щодо властивостей сталі після деформації. Створення виробів з високою міцністю, регулюванням їх магнітних властивостей та з одночасним збереженням корозійної стійкості розширює можливості використання аустенітної сталі. Досягнення цих властивостей після штампування є складним та недостатньо вивченим технічним завданням.

Таким чином, робота, що спрямована на удосконалення режимів багатоперехідного штампування аустенітної нержавіючої сталі та розробки технології виготовлення порожнистих циліндричних деталей, що збільшують стійкість заготовок під час формозміни одночасно з досягненням високого рівня фізико-механічних властивостей штампованих виробів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України. Дослідження проведені в рамках програми і відповідної тематики науково-дослідних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ, ДР № 0103U003217, № 0103U002285, № 0106U002225. Автор був виконавцем цих робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є вдосконалення режимів багатоперехідного штампування аустенітної нержавіючої сталі та розробки технології виготовлення порожнистих циліндричних деталей, що збільшують стійкість заготовок під час формозміни одночасно з досягненням високого рівня фізико-механічних властивостей штампованих виробів.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- провести теоретичне і експериментальне дослідження формозміни обтиском трубчастих заготовок зі сталі 12Х18Н10Т;

- визначити умови втрати стійкості заготовок в штампі при її обтиску;

- визначити вплив технологічних параметрів процесів листового штампування на здатність заготовок до деформування і властивості виробів;

- встановити залежності здатності заготовок до деформування від фазового складу сталі;

- розробити рекомендації з проектування технологічних процесів штампування аустенітної нержавіючої сталі.

Об'єкт дослідження. Процеси холодного штампування аустенітної нержавіючої сталі обтиском трубчастих заготовок та витяжкою листових заготовок з наступним розкочуванням стінок заготовок.

Предмет дослідження. Закономірності формозміни металу при штампуванні в умовах зміни фазового складу сталі під час деформації заготовки.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на фундаментальних закономірностях теорії пластичності і теорії обробки металів тиском стосовно до процесів листового штампування. Натурні експерименти здійснювались в промислових та лабораторних умовах. При проведенні досліджень структури та фізико-механічних властивостей сталі використані стандартні методи випробувань.

Наукова новизна. Наукову новизну мають такі результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше отримані в дисертації:

1. Отримало подальший розвиток експериментальне вивчення здатності до деформування при одно- та багатоперехідному обтиску відносно товстостінних (з відношенням товщини стінки до діаметру S/D=0,042…0,070) циліндричних трубчастих заготовок зі сталі типу 12Х18Н10Т в умовах зміни структури сталі в процесі штампування.

Раніше подібні дані не були відомі. Результати, що були отримані, дозволяють розширити діапазон формозміни заготовок з досягненням без проміжної знеміцнюючої термічної обробки високого сумарного коефіцієнта обтиску, а також отримати потрібний комплекс показників міцності, магнітних та корозійних властивостей деталей.

2. Вперше визначено раціональне сполучення компонентів напружено-деформованого стану та геометричних розмірів заготовок зі сталі типу 12Х18Н10Т, що в умовах багатоперехідного обтиску в матрицях з кутом конусності близьким 15 забезпечує штампування заготовок без втрати стійкості.

Раніше для холодного обтиску трубчастих заготовок зі сталі типу 12Х18Н10Т такі сполучення не були відомі. Це дозволяє уникнути поздовжнього складкоутворення деталей під час штампування та зменшити витрати металу в брак.

3. Отримало подальший розвиток визначення зміцнення сталі типу 12Х18Н10Т та її фазового складу в умовах багатоперехідного штампування обтиском чи витяжкою.

Відмінністю від попередніх розробок є урахування особливостей одночасної зміни напруження текучості та фазового складу сталі в процесах багатоперехідного штампування обтиском чи витяжкою. Це дозволило з належною точністю визначити вплив матеріалу заготовки на технологічні параметри штампування та вдосконалити технологію виробництва порожнистих циліндричних деталей зі сталі 12Х18Н10Т.

4. Отримало подальший розвиток вивчення сумісного впливу зміцнення та фазового складу сталі типу 12Х18Н10Т на здатність трубчастих та листових заготовок до деформування під час їх холодного штампування обтиском чи витяжкою.

Раніше вплив вказаних факторів розглядався окремо. Запропоновано технологічного параметру, що визначає можливість підвищення здатності заготовок до деформування без втрати стійкості в умовах зміни фазового складу сталі. Використання розробленого параметру дозволяє в умовах граничного ступеню деформації оцінити можливості формозміни заготовок без втрати стійкості.

Практична цінність отриманих результатів. Дослідження процесів холодного листового штампування порожнистих виробів дозволили:

-

-

-

-

Результати дисертаційної роботи використані при розробці технологій виробництва порожнистих циліндричних виробів різних розмірів і призначення в умовах Державного науково-виробничого підприємства "Текопром" (акт від 03.11.2005 г).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, що були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, що проведені автором. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [1] – аналіз процесів, що перебувають в сталі під час деформації; [2] – розробка технологічної схеми виробництва порожнистих деталей з досягненням необхідних властивостей штампованих виробів; [3] – вибір методик та дослідження зміни властивостей сталі після штампування; [4] – проведення теоретичного аналізу та розробка режимів штампування порожнистих виробів.

Апробація матеріалів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на: VІ Міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2002); ХVІ науково-технічній конференції молодих фахівців "Криворіжсталь 2002" (Кривий Ріг, 2002); ХХХІ міжнародній науково-технічній конференції молоді ВАТ Запоріжсталь (Запоріжжя, 2004); VII Міжнародній науково-технічній конференції “Пластична деформація металів” (Дніпропетровськ, 2005) та на об`єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ і прокатних відділів ІЧМ НАНУ (Дніпропетровськ, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 4 статтях у спеціалізованих і тематичних збірниках, 1 статті в збірнику, опублікованому за матеріалами конференції.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 120 сторінках; містить: таблиць – 29, рисунків – 43, список використаних джерел з 99 найменувань, додатків – 1.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика роботи: обґрунтована актуальність теми, визначені мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація отриманих результатів.

ОСОБЛИВОСТІ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ХРОМОНІКЕЛЕВИХ НЕРЖАВІЮЧИХ СТАЛЕЙ АУСТЕНІТНОГО КЛАСУ

Розповсюдженими способами виготовлення порожнистих виробів штампуванням є обтиск трубчастих заготовок, витяжка листових заготовок та розкочування порожнистих заготовок.

Формозміна заготовок обтиском обмежена явищем локальної втрати стійкості. Коефіцієнт обтиску Коб=D/d (де D та d – діаметри заготовки та деталі відповідно) має граничне значення, коли при просуванні заготовки в матрицю та зменшенні її діаметра тангенціальна напруга (чи меридіональна напруга ) досягне критичного значення кр, за якої починається втрата стійкості. З довідкових даних відома залежність кр/т від D/S при обтиску сталевих заготовок у матрицях з різними кутами конусності.

Середні коефіцієнти обтиску для сталевих виробів складають 1,11...1,17. Часто граничні значення коефіцієнтів обтиску для конкретних умов деформування визначаються експериментальним шляхом.

Гранична величина показника витяжки Квит=D/d без притиску в штампі з конічною матрицею для першого переходу деформації складає 1,25...1,67, а на наступних операціях штампування – 1,11...1,25, але в деяких випадках Квит може бути більшим.

Розкочуванням у похилих матрицях на оправці різних сталей і сплавів, можливе досягнення стоншення в 8...13 разів стінок круглих заготовок.

Наведені Романовським В.П., Аверкієвим Ю.О. дані описують дослідження здатності до деформування рядових конструкційних сталей, показники пластичності та міцності яких відрізняються від властивостей аустенітної нержавіючої сталі.

Відомий процес зміни фазового складу сталей типу 12Х18Н10Т (утворення мартенситу деформації) при холодній обробці тиском. Відповідно до робіт Химушина Ф.Ф., Філіпова М.А., Косарчука В.В. в результаті фазових перетворень в структурі сталі, змінюється цілий комплекс її властивостей, у тому числі показники міцності, пластичні та фізичні (зокрема магнітні) властивості. Основний вплив на деформаційне мартенситне перетворення роблять: хімічний склад сталі, початкова структура аустеніту, температура деформації, швидкість деформування, інтенсивність деформації, параметри напруженого стану. Керування властивостями сталі найбільш реально здійснюється шляхом зміни напружено-деформованого стану у зоні деформації.

Про використання фазового перетворення в розробці реальних технологій штампування відомо мало, це вимагає додаткового дослідження.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ФОРМОЗМІНИ І ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТАЛІ 12Х18Н10Т ПРИ ШТАМПУВАННІ

В задачу експериментальних досліджень входило вивчення формозміни заготовок обтиском, витяжкою і розкочуванням, крім того, визначення зміни структури та властивостей сталі при деформації.

Експериментальне штампування проведено в умовах Державного науково-виробничого підприємства "Текопром" (м. Дніпропетровськ). Обтиск і витяжка заготовок здійснювалась на гідравлічному пресі зусиллям 250 кН. Для деформації заготовок використані універсальні штампи, що складаються з пуансонів та плити з закріпленими в ній вставками-матрицями, що мають конічну робочу поверхню. Кут конусності обтискних матриць складав 17, витяжних – 30. Штампування здійснювалось без нагрівання заготовок, для змащення заготовки попередньо покривалися сухим милом, а при деформації додатково застосовувалося веретенне мастило.

У якості заготовки для обтиску використана труба із зовнішнім діаметром 36,0 мм і товщиною стінки 1,45 мм, довжиною 40 мм; для витяжки – листова заготовка діаметром 93 мм та товщиною 1,0 мм.

Обтиск заготовок вироблявся з різним ступенем деформації сталі за перехід штампування. Штампування деталі з Коб1=1,32 неможливе, при деформації заготовки утворюються поперечні складки (рис. 1).

Штампування заготовок в першому переході пройшло успішно при зменшенні Коб1 до 1,20. У наступному переході деформації Коб2=1,10 було значно знижено, однак, при штампуванні заготовки втрачали стійкість з утворенням подовжніх складок (рис. 2).

При рівномірному розподілі деформацій по переходах штампування (Коб1 та Коб2 близькі 1,15) вдалося досягти сумарного Коб=1,32 з якісним виконанням профілю деталі (рис. 3). Подальший обтиск заготовок з малим Коб3 =1,08 призводив до утворення поперечних складок.

Було випробувано штампування з ще більш низьким ступенем деформації за перехід. Якісна деталь отримана тільки після першого переходу обтиску. Подальша деформація заготовок призвела до їх поздовжнього складкоутворення (рис. 4). Зниження Коб у другому переході штампування не забезпечило деформування заготовки без втрати стійкості.

За результатами штампування, деформування вихідної заготовки в першому переході можливо з коефіцієнтом обтиску до 1,20 включно. Подальшій формозміні перешкоджає втрата стійкості заготовки. Максимально можливий ступінь деформації обмежений утворенням поперечних складок стінки заготовок та дозволяє досягати сумарного Коб =1,32. В інтервалі припустимих деформацій, при багатоперехідному обтиску, основним видом втрати стійкості заготовок є їх поздовжнє складкоутворення.

Для визначення здатності до деформування та зміни властивостей не наклепаної нержавіючої сталі проведена знеміцнююча термічна обробка заготовок (загартування у воді з температури 1100 0С). Термооброблені заготовки штампувалися за три переходи з Коб1 =1,16; Коб2 =1,14; Коб3 =1,08. Їхня формозміна аналогічна наведеній вище, як і заготовок без попередньої термообробки.

Уникаючи максимальних деформацій за перехід штампування, витяжкою, без проміжного знеміцнення заготовки, вдалося досягти сумарного значення Квит =2,22 (рис. 5). Характерною рисою розробленої технології витяжки є постійна по переходах штампування ступінь деформації заготовки, яка знижена лише в завершальному переході деформації.

З деталей, отриманих за два переходи обтиску або чотири переходи витяжки, способом розкочування в похилих матрицях на оправці виготовлені тонкостінні циліндричні вироби з товщиною стінки 0,25 та 0,20 мм відповідно. Розкочування стінок заготовок здійснено за три переходи без термічної обробки деталей перед розкочуванням та між його переходами. У такий спосіб визначена можливість досягнення високого ступеня редукування стінки заготовки (близько 80 %) при подальшому розкочуванні заготовок, що були попередньо зміцнені холодною деформацією.

Розміри заготовок по переходах штампування не дозволили здійснити їх випробувань на розтягання. Випробуванню на розтягання були піддані вихідні заготовки, а також готові вироби після розкочування (таблиця 1). В результаті деформації сталь істотно зміцнюється. Сталь перед деформацією можна віднести до середніх по міцності сталям. Після обтиску чи витяжки з наступним розкочуванням – до високоміцних сталей.

Досліджено зміну структури та властивостей сталі заготовок, які були продеформовані без втрати стійкості (таблиця 2).

Значення В матеріалу та його твердість знаходяться в прямій залежності один від одного, таким чином, зміна твердості сталі відображає її зміцнення. Значення твердості сталі визначені по Бринелю (НВ).

Фазовий склад сталі визначався методами рентгеноструктурного та металографічного аналізів. Сполучення різних схем навантаження заготовки при деформації (обтиск чи витяжка заготовок, наступне розкочування стінки заготовки) призводять до утворення структури сталі з високим вмістом мартенситу (-фази). Отримання такої кількості мартенситу, в основному, можливо при обробці в умовах криогенних температур.

Підтвердженням фазових перетворень в сталі є зміна її магнітних властивостей (зокрема коерцитивної сили Нс). В результаті штампування, парамагнітний матеріал заготовок стає феромагнітним зі значеннями коерцитивної сили, близькими до магнітнотвердих матеріалів з малою Нс. Отримані значення коерцитивної сили знаходяться на рівні відомих магнітнотвердих матеріалів (мартенситні сталі марок: ЕХ, ЕХ3, Е7В6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М).

Загартування заготовок істотно знизило їхню твердість, кількість мартенситу у стали, коерцитивну силу. Однак, при штампуванні зміна їхньої структури та властивостей відбувається більш інтенсивно у порівнянні з вихідними заготовками. В остаточному підсумку, після деформації структура і властивості деталей із загартованих і незагартованих заготовок близькі один до одної. Попередня термообробка заготовок не чинить істотного впливу на формування структури та властивостей готових виробів.

Дослідження показали, що по переходах штампування кількісна зміна структури і властивостей сталі близька до лінійної, зі збільшенням сумарного ступеня деформації темп їх зміни знижується.

Дослідження корозійної стійкості стали проведені за типовим методом АМУФ (ГОСТ 6032-89). Стійкість сталі до міжкристалітної корозії після обтиску, витяжки і розкочування задовільна. Таким чином, підтверджена можливість збереження корозійних властивостей сталі при значній зміні її фазового складу.

РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ЗАГОТОВОК ПРИ ОБТИСКУ ТА ВИТЯЖЦІ

Для розрахунку компонентів напруженого стану в зоні деформації визначена зміна напруження текучості сталі в процесі штампування. Значення умовної межі текучості по переходах штампування розраховані за допомогою емпіричних формул взаємозалежності між 0,2 та твердістю стали. Шляхом порівняння результатів розрахунків, обрано методику, що описана Третьяковим А.В., Трофімовим Г.К., Зюзіним В.І. При витяжці, у третьому та четвертому переходах штампування значення твердості перевищують досліджений авторами формули інтервал їх зміни. Тут розрахунок значень 0,2 зроблений за масовою часткою хімічних елементів у сталі та ступеню деформації.

Зміцнення матеріалу заготовки описано залежністю:

, (1)

де S – напруження текучості сталі, МПа; В – характеризує середнє зміцнення, МПа; m – показник деформаційного зміцнення;. r0 та – вихідний та поточний радіус заготовки відповідно, мм.

Значення коефіцієнтів В та m знайдені шляхом обробки експериментальних даних за методом найменших квадратів. Через зменшення інтенсивності зміцнення матеріалу у процесі деформування, визначення коефіцієнтів зміцнення сталі проводилося окремо для кожного переходу деформації. Це дозволило знизити похибку розрахунку з 3…12 % до 1…2 %.

За допомогою методик Аверкієва Ю.О. та Попова Є.О. у кожнім переході обтиску та витяжки визначені значення напружень у зоні деформації, значення деформацій та швидкостей деформації, зусилля деформування. В розрахунках використані значення напружень текучості сталі, визначені за результатами експериментальних даних. За результатами розрахунків описано зміну напружень та деформацій по довжині зони деформації.

Як відомо, напружений стан у зоні деформації є плоским однойменним при обтиску та плоским різнойменним при витяжці. Напруги , що перпендикулярні стінці заготовок, малі за значенням та прийняті рівними нулю. У процесі обтиску на заготовку діють стискаючі напруження та . При витяжці напруження є розтягуючим. Характер зміни напружень по довжині зони деформації, що був отриманий розрахунком, та типовий для всіх переходів обтиску чи витяжки представлений на рис. 6 та 7.

Швидкості деформації в початкових стадіях деформації знаходилися в межах: при обтиску – 0,07...0,11 с-1; при витяжці – 0,04...0,07 с-1, що відповідає умовам штампування на гідравлічному пресі.

Значення деформуючих зусиль склали: для обтиску – 6,5...15,7 кН, для витяжки – 57,6...76,7 кН.

Напружений стан у осередку деформації аналізувався в головних напруженнях за допомогою коефіцієнта Лоде–Надаі та коефіцієнта жорсткості напруженого стану П:

(2)

(3)

де i – інтенсивність напружень, МПа.

За результатами розрахунків, при обтиску 1 = = 0;2 = ; 3 = . При витяжці – 1 = ; 2 = = 0; 3 = . Розрахунок параметрів напруженого стану при витяжці виконувався для деформації на конічній ділянці матриці.

Для характеристики напруженого стану у зоні деформації зручно використовувати співвідношення головних напружень / .

При обтиску, середні у зоні деформації значення зазначених параметрів складають: =0,59…0,94; П=-1,31…-1,05; /=0,03…0,20. Для переходів штампування зі стійким деформуванням заготовки: =0,73…0,87; П=-1,21 … …-1,10; /=0,07…0,13. При обтиску термооброблених заготовок: =0,78…0,83; П=-1,17…-1,13; /=0,09…0,11. В переходах витяжки: =0,64…0,77; П=-0,80…-0,68; /=-0,23…-0,14. Характер зміни значень коефіцієнтів напруженого стану по довжині зони деформації, типовий для всіх переходів обтиску чи витяжки наведений на рис. 8 та 9.

Позитивні значення коефіці-єнта , показують, що вид напруженого стану при обтиску та витяжці можна охарактеризувати як стиснення. Зазвичай при витяжці, через дію напруги , що є розтягуючою, вид напруженого стану близький до розтягання, але у випадку малих деформацій за перехід, значення значно менше , що підтверджується спів-відношенням головних напружень в зоні деформації.

За значеннями коефіцієнта жорсткості П схеми напруженого стану при обтиску та витяжці відносяться до "м'яких". Через відмінності в схемах напруженого стану обтиску та витяжки, значення коефіцієнтів та П також відрізняються. При обтиску, відсутність розтягуючих напружень та зменшення до виходу з зони деформації напруги наближає вид напруженого стану до одноосьового стиснення, робить схему напруженого стану більш "м'якою". При витяжці, у процесі деформування відбувається зростання у зоні деформації розтягуючого напруження , що наближає вид напруженого стану до розтягання, збільшує жорст-кість схеми напруженого стану.

Розрахунки показали, що в процесі обтиску та витяжки при різних режимах деформації, схема напруженого стану металу по переходах штампування залиша-ється практично незмінним. Це пояснюється застосуванням у різних переходах штампів з незмінною конфігурацією робочих частин матриць та пуансонів. Відмінністю робочих частин штампів є довжина зони деформації, тобто ступінь деформації заготовки, що штампується. Звідси випливає, що вплив напруженого стану на зміну фізико-механічних властивостей та фазового складу сталі можна прийняти незмінним в усьому інтервалі деформації заготовки. З огляду на незмінність хімічного складу сталі, температури та швидкості деформування, виду напруженого стану, отримано, що при одно- та багатоперехідному штампуванні зміна фізико-механічних властивостей та фазового складу сталі відбувається пропорційно ступеню деформації заготовки.

Отримані теоретичні та експериментальні данні дозволяють розробити технологію штампування порожнистих деталей, що збільшує межу формозміни заготовок із одночасним забезпеченням високого рівня фізико-механічних властивостей виробів виготовлених штампуванням.

РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ШТАМПУВАННЯ ЗАГОТОВОК ЗІ СТАЛІ 12Х18Н10Т. ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ

Найчастіше, розробка технологій штампування аустенітних нержавіючих сталей проводиться за рекомендаціями, що розроблені для рядових марок сталі. При цьому передбачається деформування заготовок за мінімальну кількість переходів (тобто з високим ступенем деформації за перехід) з використанням проміжної знеміцнюючої термообробки. Такий підхід є оптимальним, якщо сумарна ступінь деформації набагато перевищує припустиме її значення за перехід штампування. В інших випадках необхідно вишукувати шляхи підвищення здатності заготовок до деформування при штампуванні.

При багатоперехідному штампуванні значення Коб за перехід вибираються нижче граничних. У даній роботі визначено, що в цьому випадку основним видом втрати стійкості є поздовжнє складкоутворення стінки заготовки під дією напруги . Передбачалося, що утворення поздовжніх хвиль на стінках заготовки відбувається не на початку чи виході з зони деформації, а в процесі переміщення краю заготовки по конусній ділянці матриці. Виходячи з цього, величина критичного напруження кр визначена як середнє в зоні деформації значення напруги .

Здатності до деформування без втрати стійкості аустенітної хромонікелевої та рядової вуглецевої чи конструкційної сталі різні. Для сталі 12Х18Н10Т, що має високу схильність до зміцнення, значення відношення кр/0,2 більше одиниці (рис. 10). Тому й умови складкоутворення досліджуваної сталі відрізняються від наведених у відомих довідкових даних. За результатами розрахунку напружень у зоні деформації визначені граничні умови (крива 1 рис. 10) втрати стійкості заготовки в штампі. Для дослідженого інтервалу розмірів заготовок, напруга досягає критичного значення при зміцненні стали в 1,3...1,8 рази. Вірогідність отриманих даних підтверджується значеннями наведених параметрів при деформації заготовок без втрати стійкості, що знаходяться на рис. 10 нижче межі складкоутворення.

Отримані умови формозміни заготовок без втрати стійкості справедливі для обтиску в конічних матрицях з кутом нахилу, близьким до 15.

Порівнюючи результати іспитів параметрів міцності сталі та зміни її фазового складу, помічено, що крива зміни кількості мартенситу в структурі сталі подібна за конфігурацією кривій зміцнення матеріалу заготовки. Виходячи з цього, запропоновано опис зміни фазового складу сталі при штампуванні робити за формулою:

, (4)

де fM – максимальна кількість мартенситу деформації, %; fM0 – вихідна кількість мартенситу, %; – логарифмічна деформація заготовки в тангенціальному напрямку; mf, zf – параметри, що враховують вплив напруженого стану заготовки в зоні деформації.

Значення параметрів mf, zf визначено за методом найменших квадратів на основі обробки експериментальних даних. У досліджених умовах деформування обтиском mf = 165, zf = 0,998; при обтиску загартованих заготовок – mf = 191, zf = 0,985; при витяжці – mf = 106, zf = 0,989.

Як і у випадку розрахунку значень напруження текучості сталі, одержання найбільш точних результатів можливо при розрахунку зміни фазового складу окремо в кожному переході штампування.

Виходячи з великої кількості мартенситу, що утворився, очевидно, що фазове перетворення позитивно вплинуло на здатність заготовок до деформування. Це доводять експериментальні дані.

В наявності присутність ефекту пластичності, що наведена перетворенням (ПНП). У якості параметру, що характеризує умови для підвищення здатності до деформування при зміні фазового складу сталі, запропоновано використовувати співвідношення відносної зміни кількості мартенситу fM=fM/fM0 до відносного зміцнення сталі S=S/S0 (таблиця 3). В ідеальному випадку, виходячи з умов здійснення ефекту ПНП, у процесі деформації відношення fM/S повинне мати постійні значення, близькі до одиниці. Таким чином, інтенсивність фазового перетворення повинна відповідати інтенсивності зміцнення сталі. При вмісті мартенситу в структурі стали до 50 %, інтенсивність перетворення може значно перевищувати інтенсивність зміцнення стали без істотного збитку здатності заготовок до деформування. Значення параметра мають вирішальний вплив на визначення здатності заготовок до деформування при граничному ступеню деформації за перехід штампування та в останніх переходах багатоперехідного штампування.

Запропонований параметр використано для корегування режимів деформації при розробці технологічних процесів багатоперехідного штампування. Алгоритм розробки технологічного процесу наступний:

1. Визначення показників міцності та структури заготовок у початковому стані.

2. Визначення закономірностей їх зміни в процесі штампування (розрахунок коефіцієнтів формул (1) та (4)).

3. Попередня розробка режимів деформації заготовок за відомими методиками.

4. Визначення ймовірності штампування заготовок без втрати стійкості (за рис 10) та значень параметра fM / S по передбачуваних переходах штампування.

5. Корегування величини деформації за перехід штампування з наближенням значень параметра fM / S до одиниці.

6. Фіксування значень деформації по переходах штампування.

Наведено приклад розробки технології обтиску заготовки зі сталі 12Х18Н10Т із зовнішнім діаметром 19 мм, товщиною стінки 1,0 мм з одержанням деталі із зовнішнім діаметром 14,5 мм, товщиною стінки 1,2 мм.

Наведені залежності і рекомендації дозволяють одержувати з аустенітної нержавіючої сталі тонкостінні порожнисті вироби обтиском (зі співвідношенням S/D = 0,042…0,070) та витяжкою (S/D = 0,011...0,025) з забезпеченням високого рівня їх фізико-механічних властивостей.

Застосування комплексного підходу, що розглядає проблему зміцнення сталі разом зі зміною її структури та властивостей, здійснено при штампуванні різних порожнистих виробів зі сталі 12Х18Н10Т в умовах Державного науково-виробничого підприємства "Текопром".

ВИСНОВКИ

У дисертації отримані теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі, що полягає в удосконаленні режимів багатоперехідного штампування аустенітної нержавіючої сталі та розробці технологій виготовлення порожнистих циліндричних деталей, що збільшують стійкість заготовки під час формозміни з досягненням високого рівня фізико-механічних властивостей виробів, отриманих штампуванням.

1. Аналіз технологічних схем і методик розрахунку параметрів листового штампування тонкостінних циліндричних виробів з аустенітної нержавіючої сталі показав, що дослідження, спрямовані на визначення закономірностей зміни в процесах листового штампування властивостей сталі та розробці на цій основі раціональних технологічних процесів, є актуальними.

2. Розширено діапазон експериментальних даних по дослідженню формозміни в конічних матрицях циліндричних трубчастих заготовок, що мають співвідношення товщини стінки до її діаметру S/D=0,042...0,070 та листових заготовок, що мають співвідношення S/D = 0,011...0,025 зі сталі 12Х18Н10Т.

3. На основі експериментальних досліджень отримані дані щодо можливості здійснення багатоперехідного штампування обтиском чи витяжкою в конічних матрицях та наступних операцій розкочування стінки заготовки. В результаті штампування, без проміжної знеміцнюючої термообробки досягнуто сумарного значення коефіцієнта обтиску, що дорівнює 1,32, показника витяжки – 2,22 з подальшим стоншенням стінок заготовок на 80…86 %.

4. Досліджено зміну комплексу фізико-механічних властивостей та структури сталі при деформації. Доведено, що в процесі штампування заготовок можливе досягнення високої міцності сталі (0,2=1100…1400МПа; В=1350…1550 МПа), істотної зміни її фазового складу із вмістом у структурі сталі до 80...87 % мартенситу, одержання чітко виражених феромагнітних властивостей виробів (Нс=6,4...11,1 кА/м) при одночасному збереженні корозійної стійкості сталі.

5. Одержав подальший розвиток метод визначення умовної межі текучості сталі шляхом перерахування за значеннями твердості. Це дозволило найбільш точно описати зміну значень напруження текучості сталі в процесі деформації.

6. Визначено умови деформації обтиском без втрати стійкості трубчастої заготовки зі сталі 12Х18Н10Т в матрицях з кутом конусності близьким до 15. Побудовано залежність відносної величини критичного напруження від геометричних параметрів заготовки, що визначає межу стійкого формозмінення заготовки при штампуванні.

7. Запропоновано формулу для кількісної оцінки зміни фазового складу сталі при холодному штампуванні. Розраховано значення коефіцієнтів формули, що залежать від режимів деформації заготовок.

8. Розроблено технологічний параметр, що характеризує умови для здійснення ефекту пластичності, що наведена перетворенням. Розраховані значення запропонованого параметру при обтиску та витяжці заготовок в умовах інтенсивного деформаційного мартенситного перетворення з досягненням високого сумарного ступеня деформації.

9. Розроблено алгоритм проектування технологічних процесів багатоперехідного штампування з урахуванням впливу деформаційно-структурних факторів на формозміну та властивості металу.

10. Результати роботи використані при розробці технічних пропозицій щодо виробництва тонкостінних циліндричних виробів зі сталі 12Х18Н10Т для ДНВП "Текопром" (акт від 03.11.2005 г).

Основний зміст дисертації відображено у роботах:

1.

2.

3.

4.

Додатково наукові результати відображені в роботі:

5.

АНОТАЦІЯ

Краєв М.В. Режими листового штампування хромонікелевої аустенітної сталі з урахуванням впливу деформаційно-структурних факторів на формозміну та властивості виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05. – Процеси та машини обробки тиском. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена вдосконаленню режимів багатоперехідного штампування обтиском, витяжкою та розкочуванням аустенітної нержавіючої сталі. Визначено вплив технологічних параметрів процесів листового штампування на здатність заготовок до деформування і властивості виробів. У роботі проведено експериментальне дослідження формозміни заготовок зі сталі 12Х18Н10Т. Окремо досліджені можливості формозміни без втрати стійкості трубчастих заготовок обтиском в конічних матрицях. Вивчена зміна структури та фізико-механічних властивостей сталі при її штампуванні. Теоретично проаналізовано вплив напружено-деформованого стану заготовок на їх здатність до деформування та на формування структури і фізико-механічних властивостей сталі. Обґрунтовано та запропоновано удосконалену технологію холодного штампування порожнистих виробів і методику проектування технологічних процесів штампування аустенітної нержавіючої сталі, що збільшує стійкість заготовок під час деформації з одночасним досягненням високого рівня фізико-механічних властивостей одержаних виробів.

Ключові слова: холодне штампування, конічна матриця, формозміна, властивості, здатність до деформування, технологія виготовлення.

АННОТАЦИЯ

Краев М.В. Режимы листовой штамповки хромоникелевой аустенитной стали с учетом влияния дефомационно-структурных факторов на формоизменение и свойства изделий. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. – Процессы и машины обработки давлением. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2006.

В диссертации получено теоретическое обобщение и новое решение научно-технической задачи, состоящей в совершенствовании режимов многопереходной штамповки аустенитной нержавеющей стали и развитие на основе полученных результатов методики проектирования технологических процессов штамповки полых изделий. Практическое значение полученных результатов заключается в разработке технологий изготовления полых цилиндрических деталей обжимом, вытяжкой и раскаткой, увеличивающих формоизменение заготовок без потери устойчивости с достижением высокого уровня физико-механических свойств штампуемых изделий.

Расширен диапазон экспериментальных данных исследования формоизменения трубчатых заготовок с соотношением S/D=0,042…0,070 и листовых заготовок с соотношением S/D=0,011…0,025 из стали 12Х18Н10Т в конусных матрицах. Получены данные о возможности осуществления многопереходной штамповки обжимом или вытяжкой и последующих операций раскатки стенки заготовки с достижением без промежуточной разупрочняющей термообработки суммарных значений коэффициента обжима равного 1,32, показателя вытяжки – 2,22 с дальнейшим утонением стенок заготовок на 80…86 %.

Исследовано изменение комплекса физико-механических свойств и структуры стали при деформации. Показано, что в процессе штамповки заготовок возможно достижение высокой прочности стали (0,2=1100…1400МПа; В=1350…1550 МПа), существенного изменения ее фазового состава с содержанием в структуре стали до 80…87 % мартенсита, получение четко выраженных ферромагнитных свойств изделий (Нс=6,4…11,1 кА/м). Доказана возможность сохранения коррозионных свойств стали при значительном изменении ее фазового состава.

Описано влияние предварительной термической обработки заготовок на формирование конечных физико-механических свойств изделий.

В теоретической части диссертации произведено сравнение различных формул для расчета по значениям твердости условного предела текучести стали 12Х18Н10Т. На основании полученных данных выбрана методика расчета, позволяющая наиболее точно описать изменение условного предела текучести стали в процессе деформации.

Получило дальнейшее развитие определение упрочнения заготовок при обжиме с различной степенью деформации, что позволяет с большей точностью рассчитывать технологические параметры процессов штамповки.

Произведена оценка напряженного состояния заготовок в различных переходах обжима и вытяжки. Проанализировано изменение напряженного состояния в пределах перехода штамповки обжимом и вытяжкой.

Определены условия деформации обжимом без потери устойчивости трубчатых заготовок с S/D=0,042…0,070 из стали 12Х18Н10Т в матрицах с углом конусности близким 15.

Разработана формула для количественной оценки изменения фазового состава стали при холодной штамповке.

Разработан алгоритм проектирования технологических процессов многопереходной штамповки с учетом влияния деформационно-структурных факторов на формоизменение и свойства металла.

Результаты работы использованы на Государственном научно-производственном предприятии “Текопром”.

Ключевые слова: холодная штамповка, коническая матрица, формоизменение, свойства, деформируемость, технология изготовления.

ABSTRACT

Kraev M.V. Sheet punching regimes of chrome-nickel austenitic steel taking into account influence of deformational and structural factors on forming of the wares and their properties. – Manuscript.

The dissertation to attempting of candidate’s scientific degree in engineering science in speciality 05.03.05. – Processes and machines of processing by pressure. – National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2006.

Dissertation is devoted to perfection of the much-transitional punching modes by wringing, drawing and rotary drawing of austenitic stainless steel. The influence of technological parameters of sheet punching processes on deformation capacity and properties of wares is defined. Forming of storages from the steel 12X18H10T was experimentally investigated. Separately, capacities of maximum form changing of storage by wringing in conical matrices are examined. Change of the structure as well as physical and mechanical properties of steel is studied. The influence of tensely – deformed state of storages on their deformation capacity, structure forming and steel properties is theoretically analyzed. An improved technology of cold punching for austenitic stainless steel and a planning method of technological processes of austenitic stainless steel punching are offered. It enlarges the border of storages’ forming with simultaneous achievement of high level of physical and mechanical properties of the