Направления повышения эффективности производства высокопрочных крепежных и сложнопрофильных деталей

Язык труда и переводы:
УДК:
621.7
Дата публикации:
28 мая 2022, 09:25
Категория:
Кузнечно-штамповочное
Аннотация:
Рассмотрен один из путей снижения энергозатрат и сокращения трудоемкости изготовления высокопрочных крепежных изделий из углеродистых и низколегированных сталей является применение исходного металла со специально подготовленной структурой-двухфазной ферритно-мартенситной структурой, не требующей окончательной упрочняющей термической обработки. В результате проведенных экспериментальных исследований показана возможность получения двухфазной ферритно-мартенситной структуры заготовок из сталей 20 и 20Г2Р из горячекатаного проката путем проведения предварительной термической обработке в виде неполной закалки и последующего охлаждения на воздухе. Еще одним направлением повышения эффективности производства крепежных деталей является применение предварительного низкотемпературного нагрева при холодной объемной штамповке углеродистых и легированных сталей. На основании проведенных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования технологических процессов холодной объемной штамповки сложнопрофильных деталей «Гайка протектора» из стали 32CrB4 и «Винт установочный» из стали 20Г2Р было установлено, что применение предварительного низкотемпературного нагрева заготовок до температур из установленных рациональных интервалов при холодной объемной штамповке сложнопрофильных деталей позволяет уменьшить силы деформирования до 1,5 раз, снизить нагрузки и повысить стойкость рабочего инструмента до 1,2…1,5 раз.
Ключевые слова:
холодная объемная штамповка, двухфазные ферритно-мартенситные стали, высокопрочные крепежные и сложнопрофильные детали, низкотемпературный нагрев, кривые деформирования, сила деформирования, стойкость инструмента
Основной текст труда

В настоящее время производственные процессы изготовления высокопрочных крепежных изделий (классом прочности 8.8 и выше) из углеродистых и низколегированных сталей состоят из следующих основных этапов [1–2]:

  • подготовка металла для холодной объемной штамповки (удаление окалины с поверхности горячекатаного проката, сфероидизирующий отжиг, травление, фосфатирование, омыливание и калибровку на технологический размер);
  • холодная объемная штамповка;
  • накатка резьбы;
  • окончательной упрочняющая термическая обработка готовых изделий (закалка и отпуск);
  • нанесение защитного покрытия.

Наиболее энергоемкими и затратными этапами являются подготовка металла и окончательная упрочняющая термическая обработка.

Одним из путей снижения энергозатрат и сокращения трудоемкости изготовления высокопрочных крепежных изделий является достижение требуемого уровня служебных свойств только за счет деформационного упрочнения в процессе холодной объемной штамповки углеродистых и низколегированных сталей со специально подготовленной структурой (без завершающего термоупрочнения) [3].

Известны данные об использовании исходно упрочненных углеродистых и низколегированных сталей на двухфазную ферритно-мартенситную структуру (ДФМС) [4–6].

Важным преимуществом двухфазной ферритно-мартенситной структуры является повышенная (при заданной прочности) пластичность стали и высокая скорость деформационного упрочнения.

Основной вариант термической обработки для получения ДФМС — неполная закалка: нагрев до температур межкритического интервала (МКИ) Аc1–Аc3 с последующим охлаждением. Необходимое соотношение структурных составляющих ДФМС при термической обработке обеспечивается содержанием углерода в стали порядка 0,08…0,09 %, что позволяет уменьшить зависимость количества аустенита от температуры нагрева.

Режим термической обработки для получения ДФМС с требуемыми свойствами назначают в зависимости от состава стали с учетом технологических параметров термического оборудования (скорости и продолжительности нагрева, средств охлаждения нагретой полосы или проволоки, возможности проведения отпуска и т. д.). Окончательные прочностные характеристики формируются в процессе изготовления деталей — в результате упрочнения при деформации и последующего старения готовых деталей. Повышение прочности ДФМС в процессе деформации составляет в среднем 10 МПа на 1 % обжатия поперечного сечения. В критическом сечении суммарная (на всех операциях) деформация при изготовлении деталей методами ХОШ для гарантированного обеспечения σв≥800 МПа должна составлять порядка 20…25 % [3, 7].

В данной работе показана возможность получения двухфазной ферритно-мартенситной структуры заготовок из углеродистой стали 20 и борсодержащей стали 20Г2Р из горячекатаного проката. Предел прочности горячекатаного проката из стали 20 — 450 МПа, из стали 20Г2Р — 560 МПа.

Образцы из горячекатаной проволоки из сталей 20 и 20Г2Р с исходным диаметром 12 мм и длиной 100 мм подвергали предварительной терм ической обработке в виде неполной закалки: нагрев до температуры межкритического интервала (МКИ) от 730 до 780 ºС с шагом в 10 ºС в муфельной печи СНОЛ и последующее охлаждение на воздухе.

В результате развития процесса аустенизации феррита с повышением температуры увеличивается количество упрочняющей фазы: для стали 20 — от 10–15 % до 20–25 %, а для стали 20Г2Р — от 15–20 % до 35–40 %.

Можно отметить, что предел прочности стали 20, закаленной из межкритического интервала, увеличивается до значений 520… 670МПа, а предел прочности стали 20Г2Р — до значений 625…805 МПа в зависимости от температуры нагрева и, соответственно, содержания упрочняющей фазы.

 В результате проведенных исследований показана возможность получения двухфазной ферритно-мартенситной структуры заготовок из углеродистой стали 20 и борсодержащей стали 20Г2Р из горячекатаного проката путем проведения предварительной термической обработке в виде неполной закалки и последующего охлаждения на воздухе.

 Получение двухфазной ферритно-мартенситной структуры заготовок из сталей 20 и 20Г2Р из горячекатаного проката позволит существенно снизить производственные затраты на подготовку металла для последующей холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных изделий.

Еще одним направлением повышения эффективности производства крепежных деталей является применение предварительного низкотемпературного нагрева при ХОШ углеродистых и легированных сталей.

Известно существенное влияние температуры нагрева заготовок на напряженное, деформированное состояние и энергосиловые параметры в различных процессах обработки металлов давлением [8–11 и др.].

В проведенных ранее исследованиях [12, 13] были определены механические свойства и построены кривые деформирования сталей 32CrB4 и 20Г2Р при предварительном низкотемпературном  нагреве заготовок до 400°С, а также построены обобщенные зависимости напряжения течения от температуры заготовки при различных значениях накопленной деформации. Полученные зависимости можно использовать при разработке технологических процессов ХОШ сложнопрофильных деталей в условиях применения предварительного низкотемпературного нагрева заготовок.

Для определения влияния температуры заготовок (от 20 до 250 °С) при ХОШ сложнопрофильных деталей на силы деформирования и нагрузки на инструмент было проведено компьютерное моделирование технологических процессов ХОШ сложнопрофильных деталей «Гайка протектора» (сталь 32CrB4 и «Винт установочный» (сталь 20Г2Р), изготавливаемых в настоящее время ООО «Сатурн» на холодновысадочных автоматах моделей NH612 (Бельгия) и АВ1921Д (Россия) соответственно.

В результате было установлено [14], что применение предварительного низкотемпературного нагрева заготовок из сталей 32CrB4 и 20Г2Р до температур из установленных рациональных интервалов при ХОШ сложнопрофильных деталей позволит уменьшить силы деформирования до 1,5 раз, снизить нагрузки и повысить стойкость рабочего инструмента до 1,2…1,5 раз.

 Для промышленной апробации предлагаемой технологии ХОШ сложнопрофильных деталей с применением предварительного низкотемпературного нагрева заготовок из углеродистых и легированных сталей в производственных условиях ООО «Сатурн» планируется использование установки электроконтактного нагрева конструкции МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Литература
  1. Амиров М.Г., Лавриненко Ю.А. Основы технологии автоматизированного холодновысадочного производства. Уфа, УАИ, 1992, 142 с.
  2. Лавриненко Ю.А., Лавриненко В.Ю., Евсюков С.А. Объемная штамповка на автоматах. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014, 264 с.
  3. Lavrinenko V.Y., Lavrinenko Y.A., Govorov V.A. Materials for Manufacturing Automotive Industry High-Strength Fasteners. Metallurgist, 2020, vol. 63, pp. 960–966. https://doi.org/10.1007/s11015-020-00913-0
  4. Голованенко С.А., Фонштейн H.M. Двухфазные низколегированные стали. Москва, Металлургия, 1986, 230 с.
  5. Huchtemann В., Reppier W. Eigenschaftenuon Stahlenim BY-Zustandals Werkstoffe fur 8.8-Schrauben. Thyssen Edelstahl Technische Bericht, 1990, vol. 16, no. l, pp. 26–32.
  6. Голованенко С.Л., Фонштейн Н.М., Ефимов А.Л. и др. О применении малоуглеродистых ферритно-мартенситных сталей для холодной высадки крепежных изделий. Сталь, 1982, № 6, с. 56–61.
  7. Бобылёв М.В., Лавриненко Ю.А., Закиров Д.М.. Оптимизация режимов отжига сталей для холодной высадки крепежных изделий. Кузнечно-штамповочное производство, 1999, № 5, с. 32–36.
  8. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. Москва, Машиностроение, 1977, 423 с.
  9. Кроха В.А. Кривые упрочнения металлов при холодной деформации. Москва, Машиностроение, 1968, 131 с.
  10. Sieber K. Neues aus der Praxis der Kaltformung. Draht-Fachzeitschrift H.8. 1968.
  11. Биллигман И. Высадка и другие методы объемной штамповки. Справочное руководство. Москва, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1960, 468 с.
  12. Лавриненко В.Ю., Лавриненко Ю.А., Айрапетян А.С., Файрузов Р.С., Кирсанов А.С. Экспериментальные исследования влияния предварительного низкотемпературного нагрева заготовок из легированных сталей на сопротивление деформированию при холодной объемной штамповке. Заготовительные производства в машиностроении, 2021, т. 19, № 9, с. 396–399. https://doi.org/10.36652/1684-1107-2021-19-9-396-399
  13. Исследование свойств сталей, применяемых для изготовления сложнопрофильных деталей холодной объемной штамповкой. Отчет по НИР № 244390 от 01.12.2020 г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021, 54 с.
  14. Лавриненко В.Ю., Лавриненко Ю.А., Файрузов Р.С., Кирсанов А.С., Габдулхаков И.И. Снижение сил деформирования и нагрузок на инструмент при холодной объемной штамповке сложнопрофильных деталей с использованием предварительного низкотемпературного нагрева заготовок. Заготовительные производства в машиностроении, 2022, т. 20, № 1, с. 22–27. https://doi.org/10.36652/1684-1107-2022-20-1-22-27
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.