книги из ГПНТБ / Хомяк, Б. С. Износостойкость кузнечно-прессового инструмента и штампов и методы ее исследования [обзор]

МИНИСТЕРСТВО СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОЙ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИИ ПО МАШИНОСТРОЕНИЮ (НИИМАШ)

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

КУЗНЕЧНО-ПРЕССОВОГО

ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

И МЕТОДЫ ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

М О С К В А 1974

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ И СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

На износ штампов влияют различные факторы, обусловленные механическими, физико-химическими и другими процессами, проте­ кающими в материале штампа во время его работы.

В результате сложного комплекса воздействий на штамп, зави­ сящего от применяемых технологических процессов, штамповочного оборудования, конфигурации, размеров рабочей поверхности и ма­ териала штампов, температурно-скоростного режима, характера деформации, напряженного состояния, свойств деформируемого металла, смазки, условий эксплуатации, характер их износа весьма разнообразен.

Основная задача повышения стойкости штампов заключается в разработке и внедрении мероприятий, обеспечивающих во время эксплуатации сохранение размеров и шероховатости их рабочей поверхности в определенных пределах.

В настоящее время наряду с известными, широко применяемы­ ми технологическими процессами — холодной, полугорячей и горя­ чей высадкой и выдавливанием, горячей штамповкой, листовой штамповкой (пробивка, вырубка, вытяжка, формовка, гибка) и другими — внедряются новые технологические процессы штампов­ ки: с использованием энергии взрыва, энергии магнитного поля, электрогидравлического эффекта, энергии звуковых и ультразву­ ковых колебаний. Специфика этих процессов выдвигает опреде­ ленные, новые требования к износостойкости штампов.

В последние годы значительно расширена номенклатура марок обрабатываемых металлов и форморазмеров изделий. При этом общей тенденцией является повышение применения легированных сталей и сплавов. Применяются медные и алюминиевые сплавы, сплавы никеля и цинка, олова и свинца, титана, вольфрама, сереб­ ра, золота и других металлов.

Требования, предъявляемые к металлу, зависят от его профиля и применяемого технологического процесса.

Предназначенные для обработки давлением металлы не должны иметь .внутренних и наружных дефектов. На износ штампов непо­ средственно влияет качество поверхности заготовки. Так, например,

3

остающийся «а поверхности заготовки после отжига слой окисла имеет большую твердость и изнашивает штампы. Для очистки по­ верхности металла перед штамповкой его обычно подвергают трав­ лению в разных кислотах с последующей промывкой в холодной и горячей воде и нейтрализацией в слабых щелочных растворах при температуре 60—70° С.

Для выполнения процессов обработки металлов давлением в на­ стоящее время применяют самое различное оборудование: криво­ шипные, эксцентриковые, фрикционные и гидравлические прессы, ковочные и штамповочные молоты и т. д. Выбор типа и параметров оборудования и соответствующей жесткости и точности определяет­ ся заданным технологическим процессом, материалом, размерами и конфигурацией изготавливаемых деталей. Общее направление в обработке металлов давлением — стремление увеличить скорость деформирования.

Создаются машины для новых технологических процессов, про­ изводительность их повышается за счет увеличения числа ходов ползуна, сокращения времени цикла, применения средств механиза­ ции и автоматизации; осваиваются и выпускаются машины с про­ граммным управлением.

Актуальными вопросами рационального использования машин, предназначенных для обработки металлов давлением,и увеличения стойкости штампов являются сохранение стабильными параметров, определяющих их нормы точности, а также повышение срока служ­ бы до первого капитального ремонта. При этом, очевидно, следует ввести понятие «критерий работоспособности оборудования», ха­ рактеризующий его работоспособность в период эксплуатации за счет лимитирования допустимых предельных отклонений парамет­ ров, определяющих нормы точности, и учитывающий предельно до­ пустимый износ тех деталей, которые определяют бесперебойную работу оборудования.

При штамповке формоизменение заготовки, ее пластическая де­ формация сопровождаются скольжением металла по рабочим по­ верхностям штампа. Указанное, а также удельные нагрузки и сте­ пень деформации штампуемой заготовки определяют величину, характер и механизм износа инструмента. Исследования макро- и микроструктуры штампуемых заготовок из разных сталей и цвет­ ных металлов дают значительную информацию о характере пласти­ ческой деформации. Так, изучение микроструктуры образцов штам­ пуемых изделий позволило сделать вывод, что различные зоны заготовок претерпевают неодинаковую пластическую дефор­ мацию по величине и направлению (рис. 1). Была выявлена зако­ номерность, заключающаяся в том, что штампы и инструмент максимально изнашиваются в тех зонах, которым соответствуют зоны максимальной деформации штампуемой заготовки.

Для исследования кинематики движения частиц металла как на поверхности штампуемой детали, так и в ее теле автором обзора были применены различные методы: искажения координатной сет-

4

жения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен; напряжения третьего рода, субмикроскопические, относятся к искажениям атомной решетки кристалла, и их ориентация связана со структурой атомной решетки.

Рис. 2. Зависимость степени деформации зерна (кривая 1) и микротвердости (кривая 2) от степе­ ни осадки образца при высадке шестигранника гайки М10 из стали 10.

Остаточное макронапряженное состояние приповерхностного слоя инструмента и штампов (величина, знак, глубина расположе­ ния и распределение по глубине) влияет на их усталостную проч­ ность и интенсивность износа.

Сжимающие остаточные напряжения уменьшают темп разруше­ ния поверхностных 'слоев при изнашивании, снижают отрицатель­ ное действие концентраторов напряжений, способствуют закрытию устьев субмикроскопических трещин.

В поверхностном слое детали целесообразно добиваться появле­ ния сжимающих внутренних напряжений. Растягивающие внутрен­ ние напряжения могут приводить к образованию на поверхности детали трещин, что, в свою очередь, значительно снижает проч­ ность и коррозионную стойкость детали. Разрушение в подавляю­ щем большинстве случаев происходит под действием растягиваю­ щих напряжений.

Основой проектирования инструмента и штампов должны быть величины напряжений и характер их распределения на рабочей поверхности, а также вопросы прочности и жесткости инструмента.

В процессе штамповки усилие и удельное давление непрерывно изменяются и на определенной стадии (в основном, к моменту окон­ чания штамповки) достигают максимального значения—при ли­ стовой штамповке они доходят до 80 кгс/мм2, при горячей штам-

6

повке до 130 кгс/мм2, при операциях холодного выдавливания до

250—300 кгс/мм2 [57].

Штамп разрушается уже в начале эксплуатации, если величина действующих рабочих напряжений превысила предел прочности для данного материала. В этом случае разрушение штампов объяс­ няется завышенными относительно допустимых рабочими напря­ жениями, а не усталостью металла.

Напряжения определяют различными расчетными методами, в том числе решением приближенных уравнений равновесия и пла­ стичности, расчетом сопротивления металлов пластическим дефор­ мациям, расчетом по энергетической теории прочности с учетом возможности упругопластических деформаций корпуса сборного инструмента, методом характеристик и вариационным методом. При расчете цилиндрического инструмента в качестве граничных условий в зоне контакта заготовки и инструмента обычно применя­ ют гидростатический закон распределения давления. Экспери­ ментально (контактные напряжения на рабочей поверхности штам­ пов и инструмента могут быть определены методом фотопластич- N ности, с помощью датчиков, методом затекания металла в щель.

При выборе конструкции штампа необходимо учитывать пара­ метры удельных нагрузок и особенно неравномерность их распре­ деления на раббчей поверхности. В ряде случаев конструктивные решения позволяют изменить характер распределения удельных нагрузок. Например, в сборных шестигранных гаечных матрицах с цельной твердосплавной вставкой наличие шестигранной полости является причиной такого распределения напряжений, которое со­ провождается значительной их концентрацией вблизи углов, а на рабочем контуре в процессе высадки действуют неблагоприятные растягивающие напряжения (рис. 3). При выполнении твердосплав­ ных вставок секторными устраняются очаги концентрации напря­ жений и повышается стойкость матрицы до нескольких миллионов штампоударов. В процессе высадки твердосплавные вставки оказы­ ваются в наиболее благоприятном состоянии — напряжении сжа­ тия, получаемом от усилия запрессовки и от рабочего давления

(рис. 4).

Согласно данным работы [3], при холодной штамповке шариков и из отожженной стали ШХ15 удельное давление и максимальные значения радиальных напряжений равны и составляют 230 кгс/мм3 независимо от размера штампуемого изделия. Максимальные же значения окружных растягивающих напряжений зависят от разме­ ра штампуемого изделия и глубины закаленной зоны инструмента; при штамповке шариков диаметром от 10 до 26,4 мм они изменя­ ются от 165 до 230 кгс/мм2.

Абразивный износ и пластическая деформация гравюры штампа зависят от величины радиальных напряжений, а усталостное раз­ рушение ее —от величины максимальных растягивающих окруж­ ных напряжений.

7

В связи с этим штампы для холодной штамповки мелких дета­ лей ^выходят из строя из-за абразивного износа, а штампы для крупных деталей — из-за усталостного разрушения. Поэтому стой­ кость высадочного инструмента для штамповки мелких деталей можно повысить армированием его твердым сплавом, а для штам­ повки крупных деталей— созданием остаточных окружных сжима­ ющих напряжений на поверхности гравюры.

для высадки гаек М12 (материал

При прямом выдавливании замена широко используемых в промышленности конических матриц с углами наклона образующей к оси симметрии 45 и 60° матрицами с выпуклыми профилями обес­ печивает благоприятное перераспределение удельных усилий, при­ водящее к уменьшению интенсивности удельного износа в направ­ лении к очковой части и равномерному износу около 50% ее поверхности. При этом стойкость матриц повышается на 20— 00% [31].

8

В промышленности применяют цельные и сборные конструкции инструмента и штампов. Преимущества составных штампов — повышение стойкости и экономия дорогостоящих материалов при изготовлении и восстановлении.

Рис. 4. Эпюры напряженного состояния шестигранной матрицы с твердосплавными секторными вставками для высадки гаек М12 (ма­ териал корпуса — сталь ЗОХГСА с HRC 40—42, вставок—сплав ВК20):

я —-эпюра напряжений от запрессовки; б — эпюра напряжений от рабочего

усилия; в — суммарная эпюра

Всборных штампах и матрицах соотношение размеров вставки

икорпуса и выбор натягов зависят от характера выполняемой опе­ рации. Так, например, по мнению автора обзора, в твердосплавных

истальных высадочных матрицах без промежуточных колец мини­ мально допустимое отношение наружного диаметра вставки к диа­ метру рабочего отверстия и наружного диаметра корпуса к наруж­ ному диаметру вставки можно принять равным 1,85—2,0. Для армирования высадочных матриц твердосплавными вставками при запрессовке вгорячую по цилиндрической поверхности натяг равен 0,5—0,7% от наружного диаметра вставок, а при холодной конусной запрессовке —до 1,3—1,6%. Для холодновысадочных сборных стальных матриц натяги берутся соответственно на 10—15% мень­ шими, чем для твердосплавных матриц.

На рис. 5 представлен штамп для выдавливания заготовок ко­ лец карданных подшипников, применяемый на 1ГПЗ. При выполне­ нии процесса выдавливания деформируемое изделие нижней тор­

цовой поверхностью опирается в торец выталкивателя 16 и вставку матрицы 15. Вставку матрицы 15 изготавляют из стали ШХ15 и за­ каливают до твердости HRC 59—61. Бандажи изготавляют из ста­ ли 35ХГСА с закалкой: внутренний на HRC 46—48; средний — на HRC 42—45; наружный — на HRC 36—40. Пуансон и выталкива­ тель изготовляют из стали Р18 с закалкой на HRC 61—63 [46].

На 8ГПЗ (г. Харьков) твердосплавные штампы применяются для штамповки вгорячую шариков диаметром 2" и близким к ним размерам на кривошипных прессах усилием 400 тс в открытых штампах из штучных заготовок диаметром 38 мм из стали 111X15. Нагревают заготовки в кузнечном индукционном нагревателе

(КИН-27) до 1100° С.

9