Штамповка биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов

В настоящее время с ростом мощностей в автомобильной промышленности постоянно повышается энерговооруженность силовых агрегатов автомобилей. В связи с новыми требованиями ЕВРО-2, ЕВРО-3, предъявляемыми к двигателям внутреннего сгорания грузовых автомобилей, из-за растущих нагрузок на поршневую фуппу ресурс поршней, изготовленных по традиционным технологиям, снижается.

В связи с тем, что традиционные технологии и материалы перестают отвечать повышающимся эксплуатационным потребностям, возникают новые технологические потребности. Это способствует разработке и применению биметаллических изделий, обладающих, как известно, уникальным набором свойств. Например, такая пара материалов как сталь — алюминиевый сплав является весьма перспективной, вследствие высокой удельной прочности получаемого композиционного материала или биметаллического изделия.

Однако, применение традиционных методов формообразования армированных изделий, таких, как литье, литье под давлением, горячая объемная штамповка в ряде случаев затруднено вследствие сложной пространственной структуры армирующей системы и различием свойств составляющих их компонентов. Кроме того, ряд недостатков, присущих традиционным технологиям, также затрудняет получение качественных армированных изделий. В итоге получение прочного биметаллического изделия становится невозможным по причине либо крайней сложности совмещения арматуры и матрицы изделия, либо из-за малой прочности адгезионных связей на их контакте. Применение таких технологий, как литье с кристаллизацией под давлением не всегда позволяет обеспечить прочность соединения разных металлов, например, сплавов на основе железа и алюминия. Это означает, что действия температуры и давления зачастую не достаточно для возникновения адгезионных связей на контакте разнородных металлов.

Возникает необходимость разработки новых технологических процессов, с помощью которых возможно создание пространственно армированных изделий, состоящих из различных металлов с прочностью адгезионного взаимодействия компонентов, соответствующей новым требованиям уровня качества полученного изделия, как по внешним показателям (качество поверхности, точность размеров), так и по внутренним (отсутствие внутренних дефектов). Кроме того, новый процесс должен быть таким, чтобы при его внедрении перевооружение производственного парка, обошлось без значительных экономических и трудовых затрат.

На основе патентных исследований и анализа традиционных способов изготовления объемных армированных изделий, предложен и исследован способ штамповки биметаллических изделий в процессе кристаллизации более легкоплавкого металла с принудительным пластическим сдвигом затвердевшего компонента по поверхности армирующего элемента.

Этот процесс имеет ряд существенных отличительных признаков от традиционных методов формообразования горячего металла, таких как штамповка в режиме сверхпластичности, горячая объемная штамповка, литье с кристаллизацией под давлением, тиксолитье. Основное отличие способа — образование адгезионных связей сначала совмещением жидкой фазы и твердого армирующего элемента, кристаллизация расплава на поверхности арматуры, затем пластическая деформация закристаллизовавшейся части сплава со сдвигом его по контактной поверхности в условиях гидростатического давления при продолжающейся кристаллизации остального объема расплава. Относительное перемещение закристаллизовавшейся части сплава по поверхности армирующего элемента в условиях нормального давления способствует обнажению ювенильных поверхностей и образованию дополнительных мостиков схватывания, значительно повышая конструктивную прочность армированного изделия.

Однако, в настоящее время, несмотря на большой объем исследований, выполненных в области штамповки изделий из кристаллизующихся сплавов, процессы получения качественного биметаллического изделия из кристаллизующегося сплава изучены не достаточно полно. Поэтому во многих случаях выбор температурно-силовых параметров процесса штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов производится на основе накопленного производственного опыта. Для установления оптимальных режимов штамповки биметаллических изделий из алюминиевых сплавов с армирующими элементами из сплавов на основе железа, например поршня ДВС, и обеспечения прочной межкомпонентной связи в изделии необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования в этой области.

Следовательно, актуальность разработки методики штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе железа и алюминия не вызывает сомнения.

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Камского государственного политехнического института при поддержке гранта Т02−06.4−271 Министерства образования Российской Федерации.

Целью работы является определение режимов штамповки биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов повышающих эксплуатационные свойства за счет формирования прочных адгезионных связей на контакте разнородных металлов.

Для достижения поставленной цели в работе были определены и решены следующие научные задачи:

1) Исследовать закономерности получения биметаллических изделий из сплавов на основе алюминия и железа штамповкой кристаллизующегося металла.

2) Разработать методику экспериментальной оценки прочности адгезионного взаимодействия разнородных материалов в биметаллическом изделии, получаемом штамповкой кристаллизующегося металла.

3) Разработать математическую модель оценки влияния параметров процесса получения биметаллического изделия штамповкой кристаллизующегося металла на прочность адгезионного взаимодействия.

4) Разработать методики проектирования технологии штамповки биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов.

5) Разработать технологическую схему для штамповки поршня двигателя внутреннего сгорания с чугунной вставкой в процессе кристаллизации алюминиевого сплава.

Методы исследований. В работе в качестве основных применены методы статистического анализа для обработки экспериментальных данных при проведении планового эксперимента.

Исследование осуществляли по следующим направлениям: а) оценка прочности адгезионных связей разнородных материалов в биметаллическом изделии, полученном штамповкой кристаллизующегося металлаб) оценка влияния геометрии армирующего элемента биметаллического изделия штампуемого из кристаллизующегося металла на прочность адгезионных связейв) натурный эксперимент по формообразованию биметаллического изделия из разнородных материалов штамповкой кристаллизующегося металла.

Проведение факторного эксперимента осуществляли с целью получения уравнений регрессии, связывающих геометрию армирующего элемента и температурно-силовые параметры процесса изготовления биметаллического изделия штамповкой кристаллизующегося металла с прочностью адгезионной связи.

Теоретическое исследование энергосиловых параметров процесса производили с помощью аналитических методов расчета с описанием движения сплошной среды в координатах Эйлера.

Проверку адекватности полученных уравнений регрессии и формул, описывающих энергосиловых параметров исследуемого процесса, производили сравнением расчетных и экспериментальных данных.

В работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана математическая модель процесса штамповки биметаллического изделия с цилиндрическим армирующим элементом в процессе кристаллизации, устанавливающая зависимость между средним усилием деформирования заготовки, контактными условиями и толщиной вертикальных стенок изделия, кристаллизующихся на поверхности инструмента и армирующего элемента.

2. Установлено влияние температурного и силового параметров штамповки биметаллических изделий из кристаллизующихся алюминиевых сплавов на прочность сцепления со стальным армирующим элементом без промежуточного слоя в диапазоне температур нагрева армирующего элемента 140−280°С, при давлениях прессования 0−100 МПа.

3. Определено влияние геометрических параметров армирующего элемента на прочность адгезионных связей между компонентами штампуемого биметаллического изделия. Установлено, что при значении угла наклона контактной поверхности армирующего элемента к направлению прессования 3−5° обеспечивается максимальная прочность сцепления алюминиевого сплава и стальной арматуры.

4. На основе регрессионного анализа разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между температурно-силовыми параметрами процесса штамповки биметаллического изделия из кристаллизующегося металла, геометрическими параметрами армирующего элемента и прочностью адгезионных связей в получаемом изделии в диапазоне температур 140−280°С, давлений 0−100 МПа, углов наклона контактной поверхности армирующего элемента 0−10°. Модель позволяет оценивать на стадии проектирования прочность биметаллических изделий и выбирать оптимальный режим штамповки.

Практическая ценность и реализация работы заключается в следующем:

• Разработана методика оценки влияния технологических и геометрических параметров процесса штамповки изделий с армирующими элементами из кристаллизующегося металла на прочность адгезионных связей разнородных материалов.

• Разработан и защищен патентом РФ № 2 205 089 способ изготовления поршней двигателя внутреннего сгорания с армирующей вставкой штамповкой из кристаллизующегося металла.

• Расчетная экономия в связи с повышением качества и долговечности деталей при замене литья в кокиль на новый метод при программе выпуска поковок поршней 150 000 шт, составляет 19 млн руб. по ценам на ноябрь 2004 г.

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 1204 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 1204 «Машины и технология обработки металлов давлением».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 8-ми Международных, Всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах.

Личный вклад. Все основные теоретические и экспериментальные исследования, подготовка публикаций, докладов на конференциях проводились автором лично или под научным руководством научного руководителя при непосредственном участии автора.

Основные результаты работы опубликованы в семнадцати научных трудах, которые включены в список литературы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 168 наименований. Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 11 таблиц.

5.5. Выводы по 5 главе.

• Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для исследования влияния параметров процесса штамповки изделий из кристаллизующегося металла: усилие, температура и геометрия армирующего элемента, закон перемещения верхнего и нижнего пуансонов на особенности формообразования изделий типа стаканвозможные схемы прессования — пуансонная, поршневая, двухпуансон-ная.

• Разработан способ изготовления армированных поршней штамповкой кристаллизующегося металла, позволяющий повысить прочность сцепления поршневого алюминиевого сплава с чугунной вставкой на 10−30% по сравнению с технологией получения поршня литьем в кокиль.

• Разработанный способ изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания защищен патентом РФ № 2 205 089.

• При натурном моделировании формообразования детали поршня большегрузного автомобиля выявлены виды брака и проанализированы их причины.

• Расчетная экономия металла в связи с повышением качества и долговечности деталей при замене литья в кокиль на штамповку кристаллизующегося металла при программе выпуска поковок поршней 150 000 шт, составляет 158,25 т. в год, что эквивалентно 57 755 сэкономленным деталям или 19 млн. руб по ценам ноября 2004 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана методика и оснастка для экспериментального исследования процесса штамповки биметаллического изделия из кристаллизующегося металла с принудительным пластическим сдвигом затвердевшего компонента по поверхности армирующего элемента. Методика позволяет оценить влияние параметров штамповки на прочность адгезионных связей между компонентами армированного изделия.

2. Методом совместного решения приближенных уравнений равновесия и условия пластичности разработана математическая модель штамповки биметаллических изделий с цилиндрическим армирующим элементом в процессе кристаллизации, позволяющая определить среднее усилие деформирования заготовки в зависимости от контактных условий и толщины вертикальных стенок изделия, кристаллизующихся на поверхности инструмента и армирующего элемента.

3. Разработан алгоритм выбора основных технологических параметров проектирования технологического процесса формообразования армированных изделий штамповкой кристаллизующегося металла, включающий выбор материалов по требуемым характеристикам, определение их совместимости, выбор температурного режима, расчет требуемого давления, назначение режима термообработки изделия.

4. Экспериментально установлено влияние угла наклона контактной поверхности армирующего элемента, на прочность адгезионных связей между элементами биметаллического изделия, штампуемого из кристаллизующегося металла. Наибольшая прочность сцепления достигается при величине угла 3−5° к направлению прессования в температурном диапазоне 140−280° С.

5. Определена степень увеличения прочности сцепления кристаллизующегося алюминиевого сплава со стальным коническим армирующим элементом при штамповке биметаллического изделия по сравнению с литым изделием. Повышение прочности адгезионных связей в изделии с армирующим элементом, имеющем угол наклона контактной поверхности 3−7° составляет 22−25%, для угла 7−10° - до 47% в интервале температур 140−280° С.

6. По результатам экспериментального исследования получены уравнения регрессии, устанавливающие зависимость прочности сцепления элементов биметаллического изделия от параметров процесса его штамповки: величины давления, температуры нагрева и угла наклона контактной поверхности армирующего элемента к направлению прессования.

7. Разработан способ изготовления биметаллического поршня двигателя внутреннего сгорания штамповкой кристаллизующегося металла, позволяющий повысить прочность сцепления поршневого алюминиевого сплава с чугунной вставкой на 10−30% по сравнению с технологией получения поршня литьем в кокиль. Способ защищен патентом РФ № 2 205 089.

8. Расчетная экономия металла, связанная с совершенствованием конструкции, повышением качества и долговечности поршня, получаемого по технологии штамповки из кристаллизующегося металла при программе выпуска 150 000 шт. составляет 158,25 т., что эквивалентно 57 755 сэкономленным деталям или 19 млн руб. по ценам ноября 2004 г.