Особенности конструкторско-технологической подготовки производства деталей из алюминиевых сплавов.

Москва

Г.

Методические указания.

 

Выпущены кафедрой «Системы пластического деформирования» МГТУ «Станкин»

Зав. кафедрой: д.т.н., проф. Ю.П. Кирдеев

Разработал д.т.н., проф. А.Э. Артес

Аннотация

В методических указаниях рассматриваются технологические возможности использования алюминиевых сплавов при изготовлении деталей механизмов и машин методами точной объемной штамповки.

Анализируется тенденция развития металло-сберегающих технологических процессов изготовления деталей из алюминиевых сплавов, и отмечаются особенности конструкторско-технологической подготовки при их производстве. Основным содержанием методических указаний являются технологические процессы точной объемной штамповки деталей машин методами холодной и горячей объемной штамповки (в изотермических условиях пластического деформирования).

Обращается внимание специалистов машиностроения на экономическую эффективность использования алюминиевых сплавов взамен стали и чугуна.

Поковки – изделия кузнечно-прессового производства, подразделяются на кованные и штампованные. Поскольку поковки штампованные (реже штампованные заготовки, штамповки) составляют основную массу изделий поступающих на дальнейшую механообработку, технологические процессы изготовления поковок методами ковки в методических указаниях не представлены. Однако к штампованным поковкам условно отнесены и изделия, получаемые специальными технологическими процессами пластического деформирования (раскаткой, ротационным выдавливанием и др.). Технологические процессы изготовления стандартных деталей типа гаек, болтов, винтов, заклепок, гвоздей и др. в методических указаниях не рассматриваются.

Методические указания разработаны на кафедре СПД МГТУ «Станкин» по инициативе СУАЛ-ХОЛДИНГ; внесены департаментом глубокой переработки алюминия (директор департамента В.М. Чертовиков, ведущий специалист С.Л. Цукров) и рекомендуются для использования конструкторами и технологами при конструкторско-технологической подготовке производства деталей в машиностроении.

Термины и определения

В методических указаниях используются применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных операций ковки и штамповки. Поскольку в литературе зачастую встречаются и термины-синонимы, ниже представлены основные термины, вошедшие в соответствующие стандарты.

Термин и ГОСТ	Определения	Термины-синонимы
Ковка ГОСТ 18970-73	Обработка давлением с помощью универсального подкладного инструмента или бойков	Свободная Ковка
Штамповка ГОСТ 18970-73	Обработка давлением с помощью штампа
Поковка штампованная ГОСТ 7505-89	Изделие, изготовленное горячей объемной штамповкой в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 8479	Штамповка , штампованная заготовка

  УДК 621.735.043

 

Методические указания.

 

Алюминиевые сплавы в производстве деталей механизмов и машин (Штампованные поковки)

январь 2004

 

 

Настоящие методические указания носят рекомендательный характер при конструировании деталей механизмов и машин из алюминиевых сплавов взамен чугунного кокильного литья, а также средненагруженных стальных деталей и устанавливают последовательность проведения работ по конструкторско-технологической подготовке производства деталей общемашиностроительного применения из алюминиевых сплавов методами точной объемной штамповки.

Особенности конструкторско-технологической подготовки производства деталей из алюминиевых сплавов.

1.1 Тенденция развития металло-сберегающих технологических процессов изготовления деталей из алюминиевых сплавов.

1.1.1 Одним из основных направлений повышения качества заготовительной базы машиностроения является увеличение доли изделий, изготовляемых штамповкой и литьем из легких сплавов. В России только 16% произведенного алюминия идет на изготовление машин, электротехники, в строительстве и производстве других изделий народного потребления. В том числе только 3,8% идет на изготовление деталей машин и оборудования и столько же в транспорте. В Японии эти показатели на порядок выше. В тоже время по потреблению чугуна на душу населения мы занимаем первое место среди индустриально развитых стран. Как известно, в производстве автомобилей и сельхозтехники замена чугунного литья на заготовки из алюминия является экономически выгодным и одновременно значительно повышающим экологическую чистоту технологических процессов [1].

1.1.2 Алюминий, как конструкционный материал, в настоящее время является одним из самых распространенных после стали. Бурное развитие потребления алюминия обусловлено такими его основными свойствами, как высокая удельная прочность (в 1,5 раза выше, чем у стали) в сочетании малой плотностью; удовлетворительная коррозионная стойкость; хорошая способность к формоизменению давлением, литьем и резанием; возможность соединения алюминиевых деталей в различных конструкциях с помощью сварки, пайки, склеивания и других способов; хорошая восприимчивость защитных и декоративных покрытий. Все это в сочетании с большими природными запасами алюминия (8%- алюминия, 5%- железа, 2%- магния, 0,01%- меди) определяет весьма широкие перспективы развития производства деталей из алюминия [2].

1.1.3 Основными тенденциями развития технологии точной объемной штамповки из алюминия является:

- конструирование деталей машин из алюминиевых сплавов взамен использования чугуна и стали;

- совершенствование технологии штамповки кристаллизующегося металла;

- совершенствование известных технологических процессов изотермической штамповки за счет включения в технологию прогрессивных способов деформирования методами поперечного и комбинированного выдавливания;

- разработка новых технологических процессов типа "Tixoforming" и др.

1.1.4 К точной объемной штамповке относят технологические процессы, в результате которых изделия (поковки) имеют незначительные припуски для дальнейшей механообработки (в несколько раз меньше, чем по ГОСТ 7505-89, «Поковки стальные штампованные. Допуски, припуски и кузнечные напуски»), либо поверхности с малой шероховатостью и не подлежащие дальнейшей лезвизной или абразивной обработке. Для оценки точности введен показатель КНП (коэффициент необрабатываемых поверхностей), равный отношению необрабатываемых поверхностей поковок к площади всей поверхности детали. КНП деталей, изготовленных методами холодной объемной штамповки или методами порошковой металлургии, может достигать 0,85 - 0,95. Несколько ниже КНП при изотермической штамповке и штамповке методом тиксоформирования.

1.2 Анализ технологичности конструкции изделия.

1.2.1 Проектируя технологический процесс объемной штамповки, технолог на основе анализа возможных альтернативных вариантов, должен обеспечить необходимый уровень служебных характеристик, изменение формы заготовки, точные размеры и качество поверхности, улучшение свойств исходного материала, а в целом снижение себестоимости изготовления деталей.

1.2.2 При постановке изделия на производство необходимо проводить экспертную оценку технологичности конструкции изделия. Под технологичностью продукции понимается совокупность свойств конструкции изделия, проявляющихся в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технологической подготовке производства, изготовлении и эксплуатации по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения (ГОСТ 18831-73).

1.2.3 На основе анализа технологичности конструкции изделия, конструктору в ряде случаев следует проводить рационализацию конструкции детали, приспосабливая ее к оптимальной ресурсосберегающей технологии.

1.2.4 Последовательность проектирования технологических процессов холодной и горячей объемной штамповки деталей из алюминиевых сплавов практически мало отличается от методики принятой в области штамповки стальных деталей [4]. Существенным отличием являются термомеханические режимы деформирования. Более низкая температура нагрева алюминиевых сплавов (~ 450⁰С) и меньшие удельные силы деформирования металла обеспечивают более высокую стойкость штампов. При этом условия труда и требования экологии более благоприятны. Поэтому основное оборудование кузнечно-прессовых цехов машиностроительных предприятий не требует модернизации при переходе на штамповку из алюминиевых сплавов.

1.2.5 К особенностям технологических процессов штамповки алюминиевых сплавов следует отнести:

- возможность в ряде случаев сокращения числа металлургических переделов изготовления исходных заготовок для штамповки. Так , например, фланец (рис.1) может быть изготовлен

Рис. 1. Схема прямого выдавливания фланца  из кольцевой заготовки

 горячей штамповкой выдавливанием из кольцевой заготовки, полученной из полого слитка диаметром 426 м и с толщиной стенки 60 мм;

- возможность изготовления более широкого диапазона номенклатуры поковок и деталей, штампуемых в холодном состоянии, поскольку, в отличие от технологии холодной штамповки из стальных заготовок не требуется нанесения специальных покрытий (например, цинко-фосфатного) на поверхность заготовки для предотвращения адгезии;

- большие возможности использования эффекта сверхпластичности;

- возможность нанесения на поверхность поковки после ее механообработки сверхтвердого коррозионного покрытия (микродуговым оксидированием) , в результате чего в трущейся паре алюминиевая деталь- стальная закаленная, последняя изнашивается быстрее;

- возможность горячей объемной штамповки высококремнистых сплавов (за- эвтектических силуминов) марок 01390, 01391 и др. [3] взамен чугуна, при изготовлении деталей типа тормозных цилиндров, поршней и др. благодаря относительно высокой пластичности прутков и труб полученных поперечно-винтовой прокаткой из слитков с ультразвуковой обработкой расплава.

На рис. 2 представлена деталь, которая может быть отштампована из сплава 01391 взамен литья под давлением из сплава АК12М2. Новые сплавы представляют также интерес при штамповке деталей с тонкими ребрами.                                                                                                                                                                                         

                                                                         Рис. 2.

 

  2. Выбор алюминиевых сплавов при конструировании деталей машин (марки, обозначения, механические характеристики, сортамент).

2.1  Классификация алюминиевых сплавов.

2.1.1 Алюминиевые сплавы подразделяются на две большие группы:

1) литейные (АК7, АК5М2, АК12М2 и др.), не подвергающиеся после отливки пластическому деформированию (за исключением тех, которые подвергаются деформированию в условиях всестороннего неравномерного сжатия);

2) деформируемые полуфабрикаты, из которых получают из слитка, прессованием, прокаткой, ковкой, штамповкой или другими видами обработки давлением. В настоящих методических указаниях приводятся данные, которые относятся в основном к деформируемым алюминиевым сплавам, отличающимся большим разнообразием прочностных, пластических, коррозионных и декоративных характеристик.

2.1.2 Наиболее важными признаками классификации алюминиевых сплавов является химический состав и определяемый составом и условиями термической обработки уровень механических свойств полуфабрикатов (см. приложение № 1) [5].

Высокими пластическими, технологическими свойствами, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью обладают технический алюминий и термически неупрочняемые сплавы алюминия с марганцем и магнием (АД00, АД0, АМц, АМг и др.) Высокой технологичностью при обработке давлением обладают сплавы системы Al-Mg-Si. Это сплавы марки АД31, АДЗЗ, АД35. Сплавы хорошо поддаются прессованию при больших скоростях деформирования, а также штамповке в холодном и горячем состоянии. Из них получают профили и поковки различной конфигурации. Они хорошо подвергаются цветному анодированию. Однако, сплавы типа АД31 имеют не высокие прочностные характеристики (см. приложение № 1). На рис. 3 представлены детали пневмоаппаратуры (Æ 40 - 65), полученные холодной объемной штамповкой на прессе К0032 (160 тс) из сплава АДЗ1. Сплавы системы Al-Zn-Mg также обладают высокой технологичностью. Так, например, из сплава типа 1925 изготавливают детали прессформ.

Сплавы системы Al-Cu-Mg имеют широкий интервал прочностных свойств (Д1, Д16, В65 и др.) обладают низкой технологичностью при литье и обработке давлением. Сплавы относятся к категории несвариваемых плавлением из-за высокой склонности к образованию кристаллизационных трещин. Хорошо обрабатываются резаньем сплавы 2007, 2011.

 Сплавы системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni-Si применяются для изготовления изделий, работающих при повышенных температурах (до 250°С). Они имеют хорошие технологические свойства при литье и обработке давлением.

На рис. 4 представлены чертежи отливки (а) и поковка (б), изготовленные литьем (Аl2) и штамповкой из сплава АК4. Штамповка взамен кокильного литья сокращает расход металла в 2 раза. При этом нет необходимости в латунном вкладыше для нарезания резьбы.

Рис. 3. Детали пневмоаппаратуры, полученные холодной
объемной штамповкой из сплава АД31.

Рис. 4. Чертежи отливки (а) из сплава Al2 и поковки (б), полученной
изотермической штамповкой выдавливанием из сплава АК4.

 Сплавы системы Al-Cu-Mn обладают хорошей технологичностью при литье и обработке давлением, отличаются высокими механическими характеристиками при температурах до 250°С, хорошо свариваются всеми видами сварки. Они применяются в условиях криогенных температур, коррозионная стойкость их низкая из-за высокого содержания меди. Коррозионную стойкость можно повысить у этих сплавов (Д20, Д21, и др.) микродуговым оксидированием (см. приложение № 2) [6].

Сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu наиболее высокопрочные. Так, например, у сплава В96цТ1, s= 650 Mпa (HB-145). Они имеют низкую штампуемость. Длительная эксплуатация возможна при температурах не выше 100-120°С. На рис. 5 представлена поковка корпуса с внутренним шпангоутом из сплава В96цЗ, у которой s_в=585н-600 МПа.

2.2 Новые деформируемые термически неупрочняемые сплавы на основе системы
Al-Mg-Sc марок 01515. 01523. 01535. 01545, 01570. 01571.

Новые сплавы на основе системы Al-Mg-Sc имеют те же основные достоинства, что и традиционные сплавы системы Al-Mg:

- хорошую свариваемость;

- высокую коррозионную стойкость;

- высокую технологичность в металлургическом и машиностроительном производствах;

- полуфабрикаты и готовые детали из них не требуют упрочняющей термической обработки.

При одном и том же содержании магния (1-6,8%) сплавы на основе системы Al-Mg-Sc по прочностным характеристикам, особенно по пределу текучести, в 1,5-2 раза превосходят традиционные алюминиево-магниевые сплавы при удовлетворительной пластичности (см. таблицу № 1, приложение № 2).

2.1.1 Области применения сплавов системы Al-Mg-Sc:

- сварные корпуса космических летательных аппаратов (01570);

- сварные корпуса легких скоростных судов (01570);

- детали сложной формы, получаемые сверхпластической формовкой (01570, 01571);

- элементы шасси легкового автомобиля (01535, 01545);

- криогенные сварные конструкции, в том числе эксплуатируемые при

- температуре жидкого водорода (01535, 01545);

- сварные конструкции, работающие в агрессивных средах, в том числе резервуары и трубопроводы для хранения и перекачки сырой нефти с повышенным содержанием сероводорода (01535, 01523);

- радиационно стойкие сварные конструкции (01523);

- теплообменники (01515).

Применение сплавов системы Al-Mg-Sc взамен традиционных сплавов системы Al-Mg позволяет снизить массу и металлоемкость конструкций на 20-30%. В ряде конструкций сплавы системы Al-Mg-Sc могут использоваться взамен термически упрочняемых алюминиевых сплавов (Д16, 1201 и др.). В этом случае эффект достигается за счет исключения операций закалки и старения.

 

Рис. 5. Поковка корпуса с внутренним шпангоутом из сплава В96цЗ.

 

2.3. Особую группу составляют высококремнистые сплавы системы Al-Si-Mg и Al-Si-Cu-Mg (А356, А357, С355, А319, А390), поставляемые в виде слитков для тиксотропной штамповки. Из этих сплавов изготавливают поковки тормозных цилиндров и других деталей сложной формы в автомобиле- и тракторостороении.