Смазващи системи при топлинно щамповане и коване, горещо и изотермично коване и при коване с чук

1. Горещо щамповане и коване

Teчливостта намалява с увеличаване температурата на детайлите, вследствие на което намалява необходимото за формоване усилие и се увеличава способността на материала за обработка. Този ефект намира широко използване, особено при работа на високоскоростни многостепенни преси, защото при формоване винаги се отделя топлина (до 250 °С), даже при студено щамповане (без предварително подгряване на детайлите). На рис. 1 е показано изменениет на течливостта в зависимост от деформация и температура.
На рис. 1, б е показано намаляване на усилие при формоване в зависимост от изменение на температура на детайли при щамповане на заготовки за гайки.

 Детайли с високо напрежение също се провеждат при топлинно щамповане, но при това трибологични проблеми се срещат по- често, отколкото при студено щамповане.Някои процеси на топлинно щамповане водят до високо износване на оборудването и намаляване на експлоатационния срок, които представлява около 1/3 от експлоатационния срок на  оборудването при студено щамповане. Провежда ли са се изследвания по избор на бързи и надеждни способи за оценка на смазочни материали, основани на определен експлоатационен срок на оборудванията. Топлинното формоване се е провеждало в температурен интервал от студено формоване до температура на рекристализация, т. е. за стомани в интервал от 300 до 800 °С. За други материали, например алуминий, тези величини могат да бъдат значително по- ниски.
   Топлинно формоване се използва при високолегирани стомани и специални материали. Този процес се използва в случаи, когато детайлите не могат да бъдат произведени, чрез студено формоване или процеса на топлинно формоване се явява икономически целесъобразен. Високо качество и точно съответствие на зададени размери, които не могат да бъдат достигнати при топлинно щамповане, се осигурява от прецизно коване.
   Фосфатен слой е целесъобразно да се използва за процеси при студено щамповане при температури под 400 °С. Но усилията при формоване в такава температура, по принцип са ниски, като във връзка с това отсъства необходимост от преобразуване на слоевете и, съответно, основните изисквания към смазочния материал се явява да намали коефициента на триене и стабилността. В голяма част от случаите използването на смазочни материали е необходимо за топлинно щамповане поради високи производствени скорости, високо натоварване на оборудването и високи изисквания, предявявани към детайлите и оборудването. Покритието на заготовките за някои материали се явява защита на повърхностите на тези материали от окисление. Ако смазочните материали се класифицират по температура на предварително нагряти детайли, то е необходимо да се знае, че при натоварване температурата може да варира в зависимост от типа оборудване и условията на експлоатация. Температурата на оборудването има по- малко значение в сравнение с температурата на детайлите в случаи, когато смазочния материал се нанася на повърхността на оборудването. Това може да доведе до неточност в класификациите по температура. .

1.1. Температурен интервал 200-350 °С

Цинкофосфатно покритие се явява носещ слой: най-важен смазочен материал се явяват масла на минерална основа с висока пламна температура, полигликоли и полибутени, способни да осигурят ниво на смазване при температури до 300 °С и използвани в циркулационни смазочни системи. Използват се също така твърди смазочни материали, като MoS₂и графит, във вид на суспензия в указаните по-горе течности или вода. При тяхното използване за ускоряване изпарението температурата на повърхността на оборудването трябва да бъде над 150 °С. Използването на смазочен материал не трябва да води до излишно охлаждане на работните детайли.

1.2. Температурен интервал 350-500 °С

В този температурен интервал се използва графит, диспергиран във вода или органична среда. В този случай при необходимост се допуска разлагане на синтетични полимерни масла. Пределите на термична устойчивост на смазочния материал са аналогични със съответстващите величини за MoS₂ Успешно се използват и водоразтворими соли с температура на разтапяне 300-400 °С.

1.3. Температурен интервал 500- 600 °С

В този случай се използва графит, диспергиран във вода и наносимо със спрей. При използване на смес графит с MoS₂ за избягване на разлагане на последното към сместа се добавя прах на боров оксид (В₂O₃). Твърдите смазочни материали трябва да се подлагат на разтапяне без окисление. Температура на разтапяне на В₂O₃съставлява 460 °С.

1.4. Температурен интервал  600 °С

В този случай технологията при използване на смазочните материали е аналогичен на метода, използван при горещо коване. Фактори, влияещи на избора на смазочен материал се явява температурата на оборудването и времето на задържане при контакт с горещия детайл. Като смазочен материал най-често се използва диспергиран във вода или водоразтворим в органична среда графит и силикати, но последните много трудно се поддават на отстраняване. Освен графит, в отделни случаи може да се използва и цинков сулфид — както във вид на единороден компонент, така и като смес с графит и водоразтворима органична среда, например полигликол. Процесът на топлинно щамповане най-често се приема на многостадийни стендове при изготвяне на детайли с малка маса при 500— 700 °С. При изтегляне на жица обработвана с графит, след стадия на рязане се нанася със спрей графитна суспензия, преди да се отправи жицата за формоване. За използване на този метод е необходимо развитие на технологиите при нанасяне със спрей, спрямо движението на машините. Сложността на процеса топлинно коване (при температура 750 °С) е илюстриана, чрез схема на технологична линия, приведена на рис. 2.

 2. Система на смазване при горещо коване

Горещият материал от детайлите (в случая стомана нагрята до температура 1200 °С) в процеса на коване изтича във всички кухини на щампа. Това се извършва при висока относителна скорост, която зависи, преди всичко от скоростта на ударната част (чук или ковачна преса), и в по-малка степен — от самия щамп. По време на формоване течливостта на материала преминава в следната последователност:
   • обработка на горещо сплескване без значително движение при плъзгане;
   • разширение с вертикален поток смазочен материал, с направление противоположно по отношение движението на инструмента при значително движение при плъзгане; ;
   • течливост, обикновено протичаща на последния стадии при процеса след запълване на материала, което значително препятства движение в ширина.
Проводниците във форма на щампа се запълват и потока се подлага на значително натоварване от страна на инструмента в направление движение на инструмента. При това се извършва относително движение с големи загуби от триене и голямо износване на инструмента. На рис. 3, а са показани различни натоварвания на на инструмента, а на рис. 3, б е разгледано влиянието при триене на устойчивост и съпротивляемост на метала.

 

Потокът материал, и като следствие, операцията по запълване на щампа може да влияе на коефициента на облоя b/s и на действието на смазочния материал. На рис. 4 е показано, как при ниско триене, обусловено от ефективен смазочен материал се извършва интензивно изтичане на материала в облоя, което препятства запъването на кухините на щампа  и намалява покачването на метала.

 

 В случаи когато при работа със стомана е необходим голям подем, коефициента на облоя трябва да е 5—10.

2.1. Изисквания към смазочен материал за горещо коване

Към смазочните материали, използвани за смазване на щампа се предявяват следните изисквания:
   • добри смазващи свойства, осигуряващи оптимизация на потока, точно запълване формите на щампа, намалено износване на инструмента, а така също намалено усилие на формоване при голямо относително движение и високи относителни натоварвания;
   • възможност за леко извличане на детайла от щампата без залепване след формоване;
   • ефективно изтласкващо действие за преодоляване газообразуване в резултат от пиролиза компонентите на смазочния материал; в щампа се създава газово налягане, а смазочния материал образува разделителен слой, което препятства залепване;
   • изолиращо и охлаждащо действие: охлаждането е особено необходимо при високи термични натоварвания, където се използват смазочни материали на водна основа. Изолиращият слой смазочен материал трябва да намалят топлопредаването между детайлите и щампа по време на формоване, докато обикновените смазочни средства не осигуряват необходим ефект;
   • отсъствие проблем на работното място, свързано с изпарение или разлагане на смазочния материал (риск от възникване на пожар, поява на неприятен мирис, причинена вреда на здравето);
   • предпазване от корозия на инструмента и другите машинни детайли;
   • избягване образуване на отлагания (продукти от разложен смазочен материал) на щампата в течение на продължителна експлоатация;
   • избягване на дизел-ефект, способен да доведе до повреда на инструмента, възникване на дълбоки ями във форма на щампа;
   • простота и икономичност при използване на смазочните средства с отчитане на съвременни работни условия и възможност за използване на автоматични методи.
Основни свойства, на които трябва да отговаря смазочния материал за изпълняване на указани изисквания се явяват:
   • пълно и еднородно намокряне на повърхностите при висока температура на формоваща повърхност и сложна геометрична форма;
   • висока термична стабилност;
   • бързо образуване на слой със съответстваща дебелина, работоспособна при работна температура на щампа.

2.2. Изпитателни методи на смазочни материали

Показани са на рис. 5. За определяне на противоизносни свойства са необходими от 500 до 1000 операции формоване.

 

3. Горещо коване на стомана

Температурата на детайлите може да се намира в предели от 1100—1200 °С, а температурата на чука — 150—300 °С (максимум 500 °С). По време на формоване температурата се явява средно аритметична температура на чука и детайла, като може на 50 °С да превиши температурата на смазочния слой. При температура на чука 250 °С и температура на детайла 1200 °С температурата на смазочния слой се намира в предел 725—775 °С. Под въздействие на високи температури в смазочния материал протичат реакции, които зависят от време в съответствие с кинематични правила; голямо значение има времето на контакт между част от детайла, подложен на коване и смазочния материал (при използване на ковачна преса времето на контакт е 50-100 мс). В процеса на коване на работната повърхност на чука може да се натрупат оксиди и нитрити с обработваемите детайли. Тези отлагания в съчетание със смазочния слой оказват влияние на процеса коване.

3.1. Смазочни материали

Използване на графит, като смазочен материал има много голямо значение благодарение устойчивостта на графита при въздействие на високи температури, а така също икономичност при използване и отсъствие на вредно влияние на здравето на обслужващия персонал. Графитът се нанася във вид на воден или маслен колоиден разтвор или във вид на паста. Използването на графит води до отказ от използване на такива смазочни средства, като дървесни стърготини, високовискозитетно масло (тежко смазочно масло), сажди. Често графита се използва във вид на водна суспензия. В този случай проблем с намокряне, особено при висока температура на коване се преодолява с използване на емулсии или разтвор с органичен компонент от ПАВ. За намаляване на триене се използват неорганични соли (алкални карбонати или бикарбонати) или органични съединения във вид на водни разтвори или суспензия. Въвеждане на силикати или борати позволява да се образува устойчив повърхностен филм от смазочен материал. В табл. 1 са приведени примери композиция от смазочен материал за коване на водна основа с функции на индивидуални присадки.

 

Ако температурата на чука не превишава 200 °С или даже 150 °С, то при използване на смазочен материал на водна основа в зависимост от времето на изпарение не се наблюдава образуване на филм. В този случай следва да се използва, като основа органични съединения, които или бързо се изпаряват, или се образува маслен филм. Но трябва да се знае, че избраното синтетично полимерно съединение не трябва да образува токсични мономери в резултат на деполимеризация при горещо коване. В отделни случаи наред с маслата се използва графитна паста. В някои случаи за коването се използват безцветни смазочни материали. При това вместо графит се използват други твърди смазочни материали (боров нитрид, цинков сулфид) или неорганични соли (силикати, фосфати). Ако смазочния слой се получи от истински воден разтвор с неорганични или органични съединения, то, за разлика от суспензията твърдите компоненти не образуват никакви отлагания. Освен това, се предпочтита използване на безцветни разтвори, не съдържащи графит. Необходимо е да се отчита, че инертния графит е напълно безвреден от токсикологична гледна точка, а безцветните смазочни материали, по принцип, оказват вредно влияние на здравето на работниците в следствие на токсичност при разлагане на продуктите.

4. Коване на алуминий

Коването на алуминий и неговите сплави има все по-голямо значение поради относително ниското тегло и изключителните механични свойства на метала. Поради проблем с адгезията технологията на обичайните механични процеси с висока степен на деформация още е недостатъчно развита, но тя продължава да се развива, особено по отношение на трибологическите характеристики. Най- широко използван смазочен материал се явява диспергиран във вода графит.
За процеса коване на алуминий с цел съблюдаване чистотата на работното място се използват смазочни материали, не съдържащи графит, но това води до усложнени условия при триене, а така също се увеличава абразивното износване и задиране. Използват се също така емулсии на маслена основа. Масленият компонент се явява не само основен и изпълняващ функции на охлаждащ агент, но и намалява триенето и износването. Съчетанието водна и маслена основа се използва в случаи, когато се използват смеси от водна емулсия с масла, съдържащи графит. Но използването на такива смеси е незначително. Водни емулсии се използват за специални ковашки преси, например изотермично коване на алуминиеви сплави за авиационната промишленост. Инструментите, използвани в процеса на щамповане, често имат специални покрития (TiN, TiAIN, TiCN).

5. Изотермично коване и коване с горещ чук

Производството на детайли от титанови сплави, чрез коване е широко разпространено и ще се развива по-нататък във връзка с развитието на авиационната промишленост. Изотермичното коване е процес, при които детайлите и чука се нагряват до една и съща висока температура. За разлика от нормалното коване, усилието при формоване постоянно се предава от хидравличната преса на детайлите с по-дълъг период на контакт. След коване се използва операция тариране. Двуфазни α-β-титанови сплави се формуват при температура 900-980 °С, α-β-титанови сплави — при температура 700-850 °С. По отношение на смазочни материали най-високи изисквания се предявяват към термична стабилност. Освен това, смазочния филм трябва да издържа на висока температура както на повърхността на детайла, така и на повърхността на инструмента. Смазочните материали не трябва да предизвикват корозия на детайла и инструмента. Често при отсъствие на възможност за осигуряване на смазване на инструмента смазочен материал на водна основе или на основе органични съединения се нанасят на детайла. Ефективен смазочен материал се явява стъкло с въведени в него титанов карбид (с размер на частици от 1—8 мкм). По-долу са приведени смазочни композиции за α-β-титанови сплави (цифрите указват на съдържанието на компонента %мас):
   • 35 — стъклообразно вещество (SiO₂, В₂O₃, CaO, FeO);
   • 3 — титанов карбид TiC;
   • 54 — течна органична основа;
   • 8 — акрилов полимер — свързващ агент или
   • 14 — боров нитрат;
   • 86 — стъклообразно вещество (67% — В₂O₃, 33% — силикатно стъкло).
Стъклото образува вискозитетен слой на гореща повърхност и осигурява смазване и защита от окисление.
Ефективен интервал се явява 20 000— 100 000 м Па. за някои алуминиеви сплави се използва също изотермично коване.

6. Използване и избор на смазочен материал

Най- предпочитан способ за нанасяне на смазочен материал се явява разпръскване със спрей. Този способ трябва да бъде използван към всички четири типа смазочни материали: окрасени (неорганични), безцветни (органични), смесени (органични и неорганични компоненти), емулсии (органични). X. Зайдел е обобщил използване на смазочен материал за сложни детайли: при формоване на големи и сложни детайли използване на следните способи за нанасяне на смазочен материал:
   • спрей;
   • поливане;
   • потапяне;
   • наводняване.

Прости методи за нанасяне, такива като нанасяне с четки, не изискват допълнителни коментари. Най-широко използва метод за нанасяне се явява разпръскване със спрей. При необходимост с предварителна обработка за нанасяне на смазочен материал се използва метод на потапяне или поливане. „Наводняване” (или поливане с цел охлаждане) се използва при високоскоростно коване, при което, освен смазващ ефект е необходимо да се осигури отвеждане на топлина, т. е. охлаждане. Смазването не е единствената функция, която изпълнява смазочния материал за коване. Използването му представлява сложен процес, зависещ от използвания смазочен материал. На рис.6 са приведени различни способи за нанасяне със спрей.

 

Съвременното оборудване за нанасяне със спрей се явява сложно даже при акуратно използване — сложни помпи, клапани и разпръскващи дюзи трябва да осигурят надеждна работа. Възможно блокиране на дюзите и тръбите трябва да бъдат сведени до минимум за сметка на съответстващи технологични приеми (например, използване на байпас). Това означава, че течността трябва изправно да се поставя към дюзата, което е много важно при автоматичен процес на коване. На рис. 7 е изобразена схема на процес с автоматично разпръскване.

 

Разпръскващите устройства се поддържат с помощта на щанги, поставят се в зоната на инструмента чрез отверстие от страна на ковачната преса; отверстията в чука чистят въздуха, след което смазочния материал се разпръсква от дюза. Дебелината на смазочния слой зависи от концентрацията на смазочния материал и времето за разпръскване. Конструкцията на д’зите може да бъде оптимизирана. Смазочните материали трябва да бъдат стабилни, леко хомогенизирани преди употреба, а така също да притежават устойчивост към бактериологично въздействие в процеса на циркулация и при съхранение. В табл. 2 е приведен примерен състав на смазочен материал — пигмент, основа и най-често използвани концентрации.

Използване на безцветни смазочни материали, не съдържащи графита, предизвикват големи спорове. Преимуществата на смазочните материали от този тип, производството на които в последно време се разширява, се явява чистотата на работното място. Тази група смазочни материали получава все по-голямо разпространение, макар че по смазващи свойства и стойностни показатели тя отстъпва на композициите, съдържащи диспергиран графит, особенно классическата графитна композиция на водна основа. Системата на смазка за топло и горещо коване (производствена линияFuchs Lubritech Gmbh(Lubrodaf), разработена от водещи специалисти в областта на смазочните материали за процесите на коване) е показана на рис. 8.