СПОСОБ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ПРЕССОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ai-Mg-Si

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способу экструдирования алюминиевых профилей и труб с регламентированными свойствами, в частности применяемыми в качестве заготовки при изготовлении топливной рампы впрыскового двигателя.

В настоящее время к автомобильным моторам выдвигаются повышенные требования по экологичности и экономичности и как одно из перспективных направлений по решению этих проблем на смену карбюраторным двигателям пришли двигатели впрысковые, с электронной системой управления. В связи с этим возникла необходимость изготовления топливной рампы. Данное производство является массовым, поэтому кроме жестких ограничений по технологичности, механическим свойствам, структуре и геометрическим размерам изделия налагает требование и по экономичности производства. В конструктивном отношении изделие представляет собой трубку из алюминиевого профиля с отверстиями для форсунок. Как известно, топливная рампа - чрезвычайно ответственная деталь моторного отсека автомобиля, которая должна выдерживать большие нагрузки: быструю смену давлений от 0 до 10 бар, рабочую температуру до 120°С, вибрацию, и все это в агрессивной топливной среде.

Ориентировочные свойства применяемого сплава должны соответствовать следующим требованиям к заготовке:

- предел прочности σ_В не менее 300 МПа,

- предел текучести σ_0,2 не менее 200 МПа,

- твердость не менее 94 НВ,

- макростуктура не должна иметь трещин, рыхлот, утяжин,

- на поверхности не должно быть трещин, расслоений, пузырей, неметаллических включений, пятен коррозийного происхождения, рисок, задиров, царапин глубиной более 0,1 мм.

Данным требованиям отвечает алюминиевый сплав 1915 (ГОСТ 8617-81. Профили прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов, Москва, Издательство стандартов, 1987 г., стр.15). Этот сплав относится к системе Al-Zn-Mg и является относительно низколегированным термически упрочняемым сплавом. Сплавы этой группы, самозакаливающиеся после прессования и имеют широкий интервал температуры закалки.

Изготовление пробных партий из данного сплава дало отрицательные результаты из-за значительных усилий, возникающих при прессовании, что приводило к отклонениям геометрических размеров по внутреннему профилю, так как в процессе прессования происходит отгибание относительно тонкой иглы рассекателя. Использование вышеуказанного сплава было признано нецелесообразным, т.к. брак по геометрическим размерам был массовым и стойкость инструмента составляла не более 5 тонн. Дополнительно на стойкость инструмента влияло качество поверхности профиля. Шероховатость и налипания на изделии приводили к образованию на рабочих поясках матриц рисок и задиров.

Известен способ изготовления полых профилей в среде азота, включающий нагрев металлической заготовки и загрузку в контейнер, экструдирование заготовки из контейнера через матричный узел с рассекателем, в котором к матрице и к рассекателю под давлением по распределительным каналам подается азот (патент РФ №2189878, МПК В 21 С 29/04, публ. 2002.09.27) - прототип. Использование азота при прессовании увеличивает скорость прессования и повышает стойкость матрицы до 1,5 раз, на стойкость иглы рассекателя влияние азота оказывает меньшее влияние из-за ее геометрических размеров.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка серийной технологии изготовления заготовки для топливной рампы двигателя автомобиля, обеспечивающей получение стабильных регламентированных свойств, геометрической точности, позволяющей свести механическую обработку к миниуму и высокую конкурентоспособность изделия на рынке.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в разработке технологии получения высококачественного изделия с минимальными затратами и повышенной стойкостью инструмента.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе полунепрерывного прессования заготовок из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si, включающем экструдирование металлической заготовки из контейнера через матричный узел с рассекателем, в котором к матрице и рассекателю под давлением подают азот и последующей термообработкой, состоящей из закалки и искусственного старения, прессованию подвергают алюминиевые сплавы с содержанием магния и кремния от 1,5% до 2%, при соотношении магния и кремния от 0,67 до 1, после чего производят закалку водовоздушной смесью непосредственно на желобе пресса, при этом температура пресс-изделия перед началом закалки составляет 530°C÷560°С, а охлаждение ведут со скоростью 45÷50°С/с.

Для увеличения стойкости инструмента и снижения брака по внутренней геометрии получаемого изделия в качестве заготовок для прессования были выбраны мягкие и технологичные сплавы системы Al-Mg-Si, прошедшие гомогенизацию. Сплавы этой группы отличаются высокой коррозионной стойкостью и отсутствием склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением. Наибольшим эффектом упрочнения обладают сплавы высоких концентраций (до 2%) Mg и Si, содержащие определенный избыток кремния. Особо заметный эффект на величину упрочнения таких сплавов оказывает температурный режим закалки (температура нагрева и скорость охлаждения). Резкое увеличение механических свойств возникает при более высоких температурах нагрева (530...560°С) по сравнению с температурой 500°С. Это связано со значительно большим насыщением твердого раствора при высоких температурах нагрева, при избытке магния разница становится менее ощутимой. Максимальный эффект упрочнения после закалки и искусственного старения возникает при концентрациях Mg:Si=1,0 и Mg:Si=0,67.

Непосредственно закалка пресс-изделия происходит в коробе системы водовоздушного охлаждения. Короб располагается сразу за передней поперечной пресса на приемном столе на некотором расстоянии от очка матрицы. Внутри имеются несколько рядов форсунок, через которые под давлением одновременно подаются сжатый воздух и вода. В результате чего в коробе образуется водяная взвесь, которая интенсивно охлаждает профиль. Регулируя скорость истечения металла, давление в коллекторах и соотношение вода-воздух, можно изменять в довольно широких пределах скорость охлаждения. По справочным данным, например, скорость охлаждения при закалке сплава АД35 должна быть не менее 45÷50°С/с.

Закалка непосредственно на желобе пресса позволила отказаться от межоперационных транспортировок, многоразовых ручных перекладок профиля на всех операциях, что обуславливало большую трудоемкость изготовления и приводило к дополнительной отбраковке на конечном этапе по механическим повреждениям поверхности.

Удовлетворительное качество поверхности профиля, увеличение стойкости рабочих поясков матрицы и иглы рассекателя (т.е. стойкость инструмента) при прессовании на столь высоких температурах гарантировано ведением системы охлаждения рабочей зоны инструмента жидким азотом и создания там инертной среды. Азот имеет двойное назначение: вытесняет обогащенный кислородом воздух из зоны матрицы и охлаждает матрицу и прессуемое изделие, а регулируя температуру матрицы во время процесса обеспечивает стабильность геометрических размеров по длине пресс-изделия.

Промышленная применяемость заявленного способа полунепрерывного прессования заготовок из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si подтверждается следующим примером конкретного выполнения.

Прессование осуществляли в цехе, имеющем горизонтальный гидравлический пресс усилием 2400 тс через комбинированную матрицу. Пресс оснащен тянущим устройством с регулируемым усилием натяжения, системой подачи азота в прессовый инструмент, правильно-растяжной машиной для правки пресс-изделий и снятия остаточных напряжений, линией резки с дисковой пилой для раскроя пресс-изделия на необходимый размер.

В качестве заготовок использованы слитки L=5500 мм сплава АД35 после гомогенизации (это сплав группы 6ХХХ или системы Al-Mg-Si), которые нагревали в газовой печи и затем на ножницах горячей рубки были раскроены на заготовки необходимой длины с последующим подогревом перед прессованием в индукторе.

В технологической документации было специально оговорено содержание Mg и Si именно в пропорции, равной 0,75, и выбрана температура нагрева под закалку с учетом того, что в момент передачи заготовки от индуктора на ось прессования происходит некоторое снижение температуры на 10...40°С, но в процессе прессования происходит разогрев и температура на выходе из очка матрицы поднимается до оптимальной, равной 530°С÷560°С.

Непосредственно закалка пресс-изделия происходила в коробе системы водовоздушного охлаждения. По замерам температуры профиля при прессовании на входе и выходе охлаждающего устройства был выполнен расчет коэффициента теплопередачи водовоздушного охлаждения и скорости охлаждения профиля. При имеющихся скоростях прессования скорость охлаждения составила 45°С/с. Старение заготовок было проведено при температурном режиме 190...200°С с продолжительностью выдержки 4 часа.

Прессование велось полунепрерывным способом, выход годного составил 77÷79%, увеличение по сравнению с прототипом в 1,32÷1,64 раза (прототип 48÷55%), затраты электроэнергии на производство 1 тонны профиля снизились на 900 кВт и составили 1600 кВт, стойкость прессового инструмента возросла в 4 раза. Механические свойства прессованных заготовок соответствовали требованиям чертежа.

Предложенный способ позволяет получать высококачественное изделие со стабильными свойствами и с минимальными затратами в условиях массового производства, что делает его весьма и весьма конкурентоспособным продуктом в данном сегменте рынка. В настоящее время топливная рампа производства ОАО ВСМПО используется во всех автомобилях, оборудованных двигателями с вспрысковыми системами, выпускаемых АВТОВАЗ.