Влияние скорости деформирования заготовки при вытяжке на возникновение налипания

Днища находят широкое применение в различных отраслях промышленности [1, 2]. Их изготавливают в соответствии с ГОСТ 26421–90, ГОСТ 34347–2017. В данной работе будет рассмотрено изготовление днищ для резервуара РА-2 используемых для хранения и транспортирования азотной кислоты. Согласно техническому регламенту (OСТ 26-01-1183–82) они изготавливаются из алюминия марки АД1. Конструкция днища резервуара РА-2 определяется ГОСТ 26421–90. Согласно конструкции днища и типу производства, их изготавливают с использованием технологической операции вытяжка. Однако вытяжка заготовок из алюминия и алюминиевых сплавов, в том числе АД1, сопровождается процессом налипания деформируемой заготовки на деформирующий инструмент (матрицу штампа), что вызывает появление неустранимых дефектов на поверхностях изделий [3] и снижает стойкость штампа [4].

Существуют различные способы устранения налипания деформируемого материала на поверхность инструмента [5–7] и др. В данной работе будет рассмотрена теория, представленная в работе [8], согласно которой налипание связано с выделением тепла при деформации микронеровностей заготовки. Деформирование заготовки при вытяжке приводит деформации и нагреву микронеровностей. Выделившееся тепло не успевает рассеиваться, накапливается, приводя к повышению температуры микронеровности  и при достижении условия: , где   — температура плавления заготовки, возникает налипание. Регулируя скорость теплоотвода от нагретой микронеровности можно не допускать ее перегрева (выполнения условия ) и тем самым устранить налипание. Эффективным способом устранения налипания в работе [8] названо использование покрытия, нанесенного методом ФАБО на поверхность инструмента и регулирование скорости деформирования заготовки. Покрытие, нанесенное методом ФАБО на поверхность инструмента, состоит из меди или медного сплава. Такой материал обладает большим коэффициентом теплопроводности чем инструментальная сталь, что позволяет увеличить количество теплоты, отведенное от нагретой микронеровности. Уменьшение скорости деформирования заготовки позволяет увеличить время, затрачиваемое на отвод тепла от нагретой микронеровности, что также приводит к устранению налипания. В соответствии с геометрической формы штампа, налипание образуется на вытяжном ребре матрицы штампа.

Целью данной работы является экспериментальная проверка предложения по возможности устранения налипания путем повышения скорости теплоотвода от деформируемой заготовки за счет нанесения покрытия на поверхность штампа методом ФАБО.

Для экспериментальной проверки предложений по устранению налипания была использована машина трения МТ10, реализующее трение по схеме неподвижная колодка — вращающийся ролик (рисунок 1). Таким образом, реализуется относительное перемещение заготовки и вытяжного ребра матрицы штампа.

Данная схема испытаний была выбрана по следующим причинам:

1. Представленная схема испытания имитирует движение листового материала по вытяжному ребру матрицы при вытяжке.

2. Обеспечивается возможность проведения большого количества испытаний за небольшой период времени, чего нельзя достичь при выполнении экспериментальной штамповки.

3. Уменьшается необходимое количество материала для выполнения испытаний. При экспериментальной штамповке необходимо использовать более 100 заготовок для достижения налипания на штампе, при данной схеме испытания налипание возникает на каждом образце.

Однако при использовании такой схемы испытаний существуют некоторые отличия от реального процесса вытяжки, поэтому необходимо принять следующие допущения:

1. Несоответствие напряженного и деформированного состояния образца на машине трения и деформируемой заготовки в процессе перемещения по вытяжному ребру матрицы.

2. В теоретической части работы [8] указано, что налипание возникает из-за нагрева микронеровностей заготовки вследствие их деформации. В предложенной схеме испытаний нагрев возникает преимущественно из-за трения колодки и вращающегося ролика. Однако это не мешает провести экспериментальную проверку, заданную в цели работы. В работе [8] не указано, что источником теплоты при деформировании заготовки может быть только деформация микронеровностей. Другие источники теплоты, возникающие при деформации заготовки (например, нагрев заготовки за счет ее пластической деформации и трения заготовки о штамп) также могут влиять на процесс налипания.

3. Процесс вытяжки детали в штампе является конечным. После завершения изготовления одного изделия его извлекают из штампа и устанавливают новую заготовку, после чего процесс повторяется. В случае выполнения предложенного испытания после однократного поворота вращающегося ролика заготовка не меняется, а продолжает испытываться до возникновения налипания.

Для имитации процесса вытяжки листового материала запускалось вращение ролика (3) и к нему через колодку прижимался образец (2) с силой Р = 140 Н. Сила была выбрана таким образом, чтобы давление, создаваемое данной силой на контакте образца и вращающегося ролика, соответствует давлению, оказываемому заготовкой на вытяжное ребро матрицы штампа при вытяжке днища резервуара РА-2 Сила создавалась с помощью грузов через систему рычагов. Меняя скорость вращения ролика можно имитировать различную скорость штамповки. Также нанося покрытие методом ФАБО можно оценить его влияние на процесс налипания.

Образец изготовлен из листа толщиной 0,4мм с размерами 6×35 мм. Материал образца: АД1 ГОСТ 4784–97. Трущаяся поверхность не подвергалась специальной обработке и находилась «в состоянии поставки».

Вращающийся ролик изготовлен из подшипниковой стали ШХ15 ГОСТ 801–78. Наружный диаметр ролика 35 мм, ширина 8 мм, шероховатость поверхности Ra 0,8.

Колодка в процессе испытания не участвует и предназначена для закрепления заготовки.

 Методика проведения испытания имеет следующий вид:

1. На неподвижную колодку устанавливается образец. Закрепление образца производится винтом оправки машины трения. В процессе испытания образец должен быть неподвижен.
2. Производится сборка системы нагружения: на подвеску системы рычагов устанавливаются один груз массой 0,45 кг. При этом сила, действующая на вращающийся ролик со стороны колодки, составляла 14 кг или 140 Н.
3. Ролик смазывается индустриальным маслом И40 перед испытанием и в процессе испытания с частотой 1 раз в минуту. Смазывание проводилось вручную, без остановки вращения ролика, с использованием ветоши смоченной индустриальным маслом И40.
   Для определения влияния покрытия, нанесенного методом ФАБО на возникновение налипания при одинаковой частоте вращения, испытывались ролики с нанесенным покрытием и без него.
4. Устанавливается требуемая скорость вращения ролика с использованием частотного преобразователя.
   При различных скоростях вращения ролика с использованием секундомера определялось время, за которое возникает налипание. Зная время, за которое возникает налипание, частоту вращения ролика, и геометрию изготавливаемой детали можно оценить количество деталей, которое могло быть изготовлено до возникновения налипания.
   Частота вращения ролика изменялась ступенчато в диапазоне от 265 до 690 об/мин с шагом в 85 об/мин, что соответствует скорости деформирования от 0,45 до 1,2 м/с. Величина диапазона и шаг изменения частоты вращения ролика подбиралась экспериментально.
   Меньшие значения частоты вращения не брались, поскольку при уменьшении частоты вращения увеличивалась дисперсия результатов измерения, что затрудняет последующий анализ результатов испытаний.
   Большие значения частоты вращения не брались, поскольку при дальнейшем увеличении частоты вращения значительно снижалось время до возникновения налипания, что затрудняло возможность измерения времени до возникновения налипания с достаточной степенью точности.
5. Колодка с установленным образцом прижимается к вращающемуся ролику и запускается секундомер.
6. Возникновение налипания определяется визуально: при появлении светлых полос на ролике. При возникновении налипания останавливается секундомер и выключается машина трения.
7. Извлекается образец, и механически счищается налипший слой материала образца с ролика. Снятие налипшего материала производится с использованием шлифовальной бумаги с зернистостью микрошлифпорошка М20 по ГОСТ 3647–80 или Р1000 по FERA P. Шероховатость поверхности вращающегося ролика после снятия слоя налипшего материала составляет Ra0,8, что соответствует начальным условиям.

Перед началом следующих испытаний температура вращающегося ролика, вала, на котором он расположен и державки должна достичь температуры не выше 25 °С. Это связано с нагревом трущихся деталей при испытании, что напрямую влияет на возникновение налипания.

Для расчета дисперсии результатов измерения повторяемость эксперимента была выбрана три. 

Для проведения испытаний, связанных с оценкой влияния покрытия, полученного методом ФАБО, на внешнюю поверхность ролика наносилось покрытие методом ФАБО. Методика его нанесения основан на способе, предложенном в работе [8] и представлена ниже:

1. Подготовить технологическую среду для нанесения покрытия ФАБО: две массовые части глицерина смешиваются с одной массовой частью 10 % водного раствора соляной кислоты.
2. На машине трения закрепляется ролик и обезжиривается.
3. В цанговый патрон промышленного гравера Dremel 4000 устанавливается латунная труба диаметром 2 мм с толщиной стенки 0,3 мм изготовленную по ГОСТ11383–75 из латуни марки Л63.
4. Включается машина трения, частота вращения ролика составляет 100 об/мин.
5. На поверхность ролика капельным методом наносят технологическую жидкость.
6. Включается промышленный гравер Dremel 4000, частота вращения установленной латунной трубки составляет: 15 000 об/мин
7. Промышленный гравер Dremel 4000 с вращающейся латунной трубкой прижимается к поверхности ролика и происходит создание покрытия: перенос латуни на поверхность ролика. Процесс нанесения сопровождается появлением на поверхности ролика желтоватого покрытия. Нанесение покрытия продолжают до тех пор, пока покрытой окажется вся поверхность ролика.
8. После нанесения покрытия останавливают вращение ролика и латунной трубки. Поверхность ролика и обезжиривают для удаления остатков технологической жидкости.
   Покрытие, полученное методом ФАБО, необходимо наносить перед каждым испытанием, поскольку при механическом удалении налипшего слоя материала остатки покрытия также удаляются.

Результаты выполнения экспериментальных исследований и их интерпретация представлены в таблице 1 и 2 соответственно.

Таблица 1. Результаты эксперимента

Таблица 2. Интерпретация результатов эксперимента

Для визуализации полученных зависимостей были построены графики зависимости количества деталей и скорости штамповки, представленные на рисунке 2.

Рисунок 2. Результаты проведенных исследований: влияние покрытия, нанесённого методом ФАБО и скорости деформирования на возникновение налипания

Анализ результатов эксперимента показывает, что нанесение покрытия ФАБО увеличивает количество деталей, которое может быть изготовлено до возникновения налипания.  В зависимости от скорости деформирования, увеличение составляет от 39 до 56 %.

При увеличении скорости деформирования выше 1 м/с количество деталей, которое можно изготовить до возникновения налипания существенно снижается. Таким образом скорости деформирования выше 1 м/с не могут быть рекомендованы к использованию.

При уменьшении скорости деформирования ниже 0,45 м/с количество деталей, которое можно изготовить до возникновения налипания увеличивается. Но при этом увеличивается дисперсия результатов измерений, что не дает возможность гарантировать достоверность полученных результатов измерений. Возможно, это связано с конструкцией испытательной установки. Система рычагов с помощью которой, происходит нагружение образца является нежесткой конструкцией и при частоте вращения ролика менее 265 возникает существенная вибрация механизма нагружения, что увеличивает дисперсию полученных результатов. Этот вопрос требует дальнейшего изучения.

В качестве технологических мер по устранению налипания рекомендуется:

1. Использовать инструмент с нанесенным покрытием методом ФАБО. Технология нанесения представлена в данной работе в разделе материалы и методы.
2. При штамповке рекомендуется использовать минимально допустимые с точки зрения производительности и конструкции оборудования скорости деформирования.

Также в работе [8] отмечено, что на налипание напрямую влияет температура нагрева микронеровностей. Это явление можно оценивать по температуре нагрева образца. Это является интересной задачей и будет рассмотрено в дальнейших работах.

1. Покрытие, нанесенное методом ФАБО положительно влияет на стойкость инструмента. С использованием покрытия, нанесенного методом ФАБО, при одинаковой скорости штамповки, количество деталей, которое может быть изготовлено до возникновения налипания, увеличивается на 39–56 %, в зависимости от скорости деформирования.
2. Для устранения налипания также рекомендуется проводить штамповку деталей с минимально допустимыми скоростями деформирования. Не рекомендуется увеличение скорости деформирования выше 1 м/с, поскольку при больших скоростях интенсивность налипания усиливается.
3. Для подтверждения экспериментальных данных необходимо выполнить экспериментальную штамповку.