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

Конструкция твердосплавного штампа показана на рис. 6 [44]. Для отвода тепла и сохранения первоначального натяга между кольцом 2 и обоймой 3 сделан канал, по которому циркулирует проточная вода. Штамповка производится без смазки. Рабочая по­ верхность охлаждается струей сжатого воздуха.

Рис. 6. Твердосплавный штамп для горячей штам­

(HRC 48—52) 3 — обойма (HRC 38—42); 4 — винт крепле­ ния; 5 — основание (HRC 52—56)

Следует отметить, что разгаростойкость горячевысадочных мат­ риц с внутренним охлаждением выше, чем у матриц с наружным охлаждением рабочей поверхности.

Для экономии инструментальных материалов при вырубке за­ готовок толщиной до 3 мм применяют конструкцию матрицы, со­ стоящую из двух частей: накладной пластины толщиной б—8 мм из стали У8А/ У10А с НДС 58—60 или твердого сплава марки ВК15 и опоры матрицы из стали 45 с НДС 56—58 [21].

В последнее время находят применение конструкции упрощен­ ных ленточно-ножевых вырубных штампов, режущие, элементы которых выполнены из закаленной стальной ленты (из стали У7, 65Г и др.), поставленной на ребро и встроенной в обойму из легнеобрабатываемых материалов (древесины, фанеры). Штампы применяются для вырубки деталей из меди, латуни, нержавеющей стали толщиной до 0,5—1,5 мм, мягкой стали и алюминиевых сплавов толщиной до 0,5—6 мм. Стойкость ленточно-ножевых штампов зависит от материала и толщины детали, состояния прес­ са и может достигать 40—120 тыс. деталей.

И

Нормализация и стандартизация штампов и сменного инстру­ мента, а также работы по стандартизации размеров и располо­ жения мест крепления оснастки, проводимые в СССР, обеспечива­ ют рациональную эксплуатацию и повышение стойкости штампов и сменного инструмента, а также способствуют улучшению экс­ плуатационных показателей оборудования.

Применение смазок необходимо для уменьшения удельного давления при штамповке и улучшения теплового режима работы штампа. Согласно данным работы [57], при наличии смазки износ образцов из штамповой стали WNL в 80 раз, а из стали NWC в 30 раз меньше, чем без смазки, и улучшается их микрогеометрия.

Эффект действия смазок и ее выбор в значительной степени зависят от способа ее нанесения, от комбинации смазок, от вели­ чины и формы заготовок, материала, степени деформации, темпе­ ратуры разогрева заготовки в ходе деформирования и способа штамповки. При ручном способе нанесения нельзя получить рав­ номерный слой смазки на штампе. Нанесение смазки распылени­ ем, например, при горячей штамповке обеспечивает равномерное распределение слоя смазки, хорошо охлаждает ручьи штампа, обдувает с поверхности штампа и поковки окалину и позволяет соблюдать чистоту рабочего места. Имеется опыт нанесения смаз­ ки при горячей штамповке стационарными распылителями, кото­ рые включаются в работу от системы привода пресса. Проводят­ ся работы — испытываются устройства для нанесения смазки на штампуемые изделия в электростатическом поле.

При повышенных давлениях и температурах необходимо при­ менять более маслянистые смазки, в отдельных случаях с напол­ нителями. Основным в смазочном действии является уменьшение напряжения сдвига (предела текучести) в тончайшем поверхно­ стном слое обрабатываемого металла. Под действием активных смазочных сред при выполнении различных процессов обработки металлов давлением на поверхности деформируемого металла об­ разуется тончайший пластифицированный слой, в котором локали­ зуется дополнительная сдвиговая деформация.

Нанесение тонких пластических покрытий (меднения и др.) и введение в жидкие смазки высокодисперсных наполнителей (гра­ фит, молибденит и др.) моделируют действие пластифицирован­ ного слоя.

Широко применяемое в промышленности фосфатирование производится для получения на поверхности заготовок прочной пленки, хорошо удерживающей смазку и надежно разделяющей изделие и штамп в процессе холодной штамповки.

Смазка не должна оставаться на штампе и удаление ее с от­ штампованных изделий не должно вызывать затруднений.

При выборе вида смазки необходимо учитывать технико-эко­ номические факторы, в том числе и стоимость нанесения смазки и ее устранения.

12

В настоящее время нет физико-химически обоснованной клас­ сификации смазок для различных процессов обработки металлов давлением. Однако на основе опыта применения для них могут быть рекомендованы различные смазки.

При холодном выдавливании стали удельные нагрузки в зоне контакта заготовки с инструментом могут достичь 250 кгс/мм2 и выше. В этом случае применение смазки уменьшает контакт ме­ талла инструмента и заготовки, снижает трение, уменьшает износ инструмента. Стальные заготовки перед холодной объемной штам­ повкой целесообразно смазывать с предварительным нанесением фосфатного покрытия.

' При холодном выдавливании стальные заготовки, имеющие всестороннее фосфатное покрытие, смазывают в растворе цинко­ вого мыла или в дисульфиде молибдена. В отдельных случаях применяют смазку коллоидным графитом. Цинковое мыло обра­ зует химическое соединение с фосфатным слоем. Твердые смазочные материалы, имеющие чешуйчатое строение (дисульфид молибдена, графит), адсорбируют с пористым носителем смаз­ ки (65].

По данным фирмы Herlan (ФРГ) (64], при холодном выдавли­ вании рекомендуется применение следующих видов смазок: при

(щелочную) смазку, нанося ее на матрицу пульверизацией с по­ мощью сжатого воздуха (2,1 ати). Это обеспечивает снижение на 50% расхода смазки и значительно увеличивает стойкость матриц.

В качестве смазок для многопозиционных и одноударных хо­ лодновысадочных автоматов применяют материалы, растворимые

(M0S2, WS2, графит, мыла двухвалентных металлов и металлов с более высокой валентностью, политетрафторэтилен), частично ра­ створимые. и образующие суспензии (например, полифторалкилы). [63]. Мыла двух- н многовалентных металлов применяют в основ­ ном для смазки заготовок из цветных металлов. Пленку поли­ тетрафторэтилена, наносимую в виде суспензии, используют в ка­ честве смазки только при небольших деформациях.

За рубежом при холодной объемной штамповке сталей широ­ кое применение находят водные растворы щелочных мыл.

В последние годы при холодной объемной штамповке для ох­ лаждения-смазки находит применение масляный туман. Так, по данным работы (59], применение масляного тумана для охлажде­ ния инструмента на отрезной позиции холодновысадочного авто­ мата увеличило стойкость этого инструмента при штамповке бол­

13

пуансонов многопозиционного горизонтального автомата Boltmaster СВ 35 при изготовлении тарелок клапанов диаметром 32 мм из стали 12NC3 диаметром 17± 0,2 мм. После разматывания про­ волока подвергается калибровке, а затем нагреву сопротивлением до 180° С.

При вырубке-пробивке в качестве смазки применяют в основ­ ном различные масла. Эффективно также применение распылен­ ного масла. В отдельных случаях, например, при вырубке транс­ форматорных пластин, применяют керосин. Хорошую вырубку обеспечивает фосфатирование кремнистых трансформаторных сталей (толщина слоя 2—3 мк) [55].

Имеется отечественный и зарубежный опыт применения при листовой штамповке в качестве смазки клеев и лаков (например, в СССР в качестве смазки при листовой штамповке применяется клей БФ4).

Покрытие трансформаторной кремнистой стали Di-max (Ита­ лия) толщиной 0,35 мм органическим лаком повышает стойкость инструмента при вырубке ее до 200 тыс. штук [55].

В СССР предложен способ повышения стойкости разделитель­ ных штампов путем охлаждения их режущих кромок за счет про­ пускания постоянного тока по цепи штампгзаготовка-пресс в на­ правлении, обратном току, создаваемому термо-э. д. с., возникаю­ щей в местах контакта поверхности разделения штампуемого материала и пуансона, который предварительно изолируют от пресса [30].

Смазки при холодной вытяжке снижают усилие вытяжки, по­ вышают стойкость штампов и обеспечивают получение высокого' качества поверхности детали при предельном значении коэффи­ циента вытяжки.

В прессово-кузовных цехах Горьковского автомобильного заво­ да на вытяжных операциях листовой стали 08 применяют смазку № 584-Т на основе хвойного (таллового) масла, имеющую следу­ ющий химический состав, ,%: масло индустриальное — 20-f 25,0; кислота олеиновая техническая— 1,5; хвойное (талловое) масло — 3,0; раствор едкого натра — 0,3; тальк молотый — 15,0; вода про­ мышленного назначения — 55,2 [13].

Широко применяются при вытяжке пасты, содержащие M0S2. В ряде случаев достаточно периодически смазывать заготовку и тогда при вытяжке рабочие кромки инструмента и первые три— пять заготовок покрывают пастой, содержащей M0S2, затем смаз­ ку повторяют после штамповки 25, 50 и 75 шт.

В [52] сообщается об изготовлении патронных гильз калибра 22 фирмой Lachaussee (Бельгия) глубокой вытяжкой из омедненной стали. В процессе вытяжки материал утоняется с 0,48 до 0,17 мм.

14

Медь, которой покрыта поверхность ленты, является хорошей смазкой, повышающей срок службы штампов на 35—50%.

При глубокой ^вытяжке в качестве смазки применяют также полиэтиленовую пленку толщиной 0,06 мм, наносимую с двух сто­ рон заготовки и имеющую низкий коэффициент трения. Действие пленки основано на ее размягчении и приобретении пластичности под действием тепла, образующегося при вытяжке. Пленка легко удаляется с поверхности металла.

Фирма Metal-Flo (США) использует для глубокой вытяжки листовую сталь со свинцово-фосфатным покрытием. Применение этой смазки при вытяжке цилиндрических сосудов диаметром 254 мм и высотой 762 мм повысило производительность с 300 до 800 деталей за 8 час. Вытяжка производится за четыре операции, без дополнительной смазки.

В (53] сообщается о повышении стойкости вытяжных штампов за счет покрытия их рабочих поверхностей слоем политетрафтор­ этилена, который сохраняет свои физические свойства в интервале от —270 до +260° С и имеет низкий коэффициент трения. Рабочую поверхность штампов покрывают слоем твердого хрома толщиной

пор и напыляют на поверхность слой политетрафторэтилена, пред­ варительно охлажденный до —70° С. Например, при вытяжке дни­ ща картера грузовика в штампе с азотированной поверхностью стойкость была 1500 деталей, а в штампе, покрытом слоем поли­ тетрафторэтилена,— 136 тыс. деталей. Следует, однако, заметить, что при температуре штампа выше 260° С пленка политетрафтор­ этилена разрушается.

Для горячей штамповки в качестве смазок применяют отрабо­ танные масла, жир, древесные опилки, уголь, деготь, графит и его суспензии, мазут, мазут с графитом, масло минеральное с графи­ том, окислы Al, Be, Zn; PbS и ZnS, растворы солей (NaCl и др.), пленки металла, силикатные стекла. Для специальных изделий при изготовлении их из труднодеформируемых материалов применяют пленки Au, Ag, Си и т. д.

Однако больше всего при горячей штамповке применяют смаз­ ки на основе графита, которые обеспечивают лучший эффект смазки с облегчением течения металла и снижением усилия штам­ повки. Масла и опилки только облегчают удаление поковок из ручья штампа за счет «взрывного» действия.

Применяется чешуйчатый или аморфный графит, диспергиро­ ванный в воде или масле. Вода при высоких температурах штам­ повки испаряется, часть масла улетучивается, а часть сгорает с образованием кокса, слой оставшегося графита или графита с коксом и служит смазкой, понижающей трение и облегчающей извлечение поковок из штампа. Московский завод «Калибр» ре­ комендует при горячей штамповке применять в качестве смазки

15

смесь из 34% серебристого графита и 34% сульфатцеллюлозного щелока.

В СССР для горячей штамповки предложена смазка следую­ щего состава, %: тонкодиспергированный уголь — 20; 1—2%-ный раствор NaOH или КОН — 80 [7]. Для штамповки особо сложных поковок в смазку вводят 5—10% графита или другого наполните­ ля. Предложено также для повышения антикоррозионных и сма­ зочных свойств вводить в состав смазки небольшие добавки щелочи и буры [6]. Состав смазки следующий, %: сульфитспиртовая барда — 20—25, графит — 8—10, вода — 70—62, щелочь — до 0,5 и бура —* 2—2,5.

В последние годы предложены также и другие материалы и способы смазки. Так, для вытяжки предложено прокладки, напри­ мер бетонные, охлаждать до температуры ниже 0°С и затем по­ ливать водой, чтобы на их поверхности образовался тонкий слой льда, который действует как плавящаяся твердая смазка. При процессе криогенной формовки из листовой нержавеющей стали этот метод смазки обеспечивает высокую прочность изделий [23].

В работе [54] рассматривается новый гидростатический способ смазки при листовой формовке, при котором смазка подается под высоким давлением в рабочие зоны штампа. Например, в экспе­ риментальном штампе для формовки панели из мягкой стали, плакированной алюминием, трубки входили в верхнюю часть пу­ ансонов, фланцы матриц и между полостями матриц. Давление смазки на каждом пуансоне 41,5 кгс/см2, на матрице и прижиме — 48,1 кгс/см2. Гидростатическая смазка позволяет изготавливать панель из листа толщиной 0,75 мм вместо листа толщиной 1,2 мм при обычной смазке.

Важным фактором повышения долговечности штампов являет­ ся к у л ь т у р а их э к с п л у а т а ц и и . Стабильность работы оборудования и стойкость штампов в значительной степени зави­ сят от тщательного ухода за ними, хорошего их содержания, ква­ лифицированной настройки и эксплуатации, правильного исполь­ зования оборудования. Завышение нагрузок относительно допу­ стимых снижает стойкость штампов.

Конкретные требования к вопросам эксплуатации штампов оп­ ределяются их назначением. Например, при вырубке-пробивке зазор рекомендуется брать равным 7в—Vio толщины материала, при этом чем тверже металл, тем меньше зазор. При оптималь­ ном зазоре износ режущих кромок инструмента минимальный. При уменьшении зазора относительно оптимального возрастают потребные усилия и затрачиваемая работа. Неравномерное рас­ пределение зазора между пуансоном и матрицей при вырубке и пробивке вызывает более интенсивный износ отдельных участков режущих кромок матрицы и пуансона, что значительно снижает стойкость инструмента.

16

Стойкость после возобновления

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

Качество штампового материала характеризуется его химиче­ ским составом, структурой, механическими свойствами и физиче­ скими факторами.

Материалы инструмента и штампов, выходящих из строя из-за абразивного износа, должны иметь высокую твердость, износо­ стойкость, быть устойчивыми против схватывания, а выходящих из строя из-за усталостного разрушения и пластической деформа­ ции рабочей поверхности — повышенную прочность, высокий пре­ дел усталости, хорошо сопротивляться пластической деформации. Материалы штампов горячего деформирования должны отли­ чаться высокой теплостойкостью при нагреве, разгаростойкостью, достаточной износостойкостью и теплопроводностью.

При выборе новых штамповых материалов необходимо прово­ дить технико-экономический анализ с учетом их стоимости и об­ рабатываемости, износостойкости, программы изготавливаемых деталей, характера штамповочных операций, размера, формы и материала штампуемой детали.

Штамповые стали. Износостойкость закаленных штамповых сталей в значительной степени зависит от твердости основной структуры, количественного содержания карбидов, их формы, размеров, распределения, твердости и величины зерна. С повыше­ нием твердости и процентного содержания карбидов закаленные штамповые стали могут выдерживать большие нагрузки (до 350 кгс/мм2), но при этом снижается ударная вязкость, что недо­ пустимо для штампов, работающих при высоких температурах и ударных нагрузках.

Усталостная прочность инструментальных сталей зависит от величины зерна, карбидной ликвации и неметаллических включе­ ний. В работе [34] качественную оценку работоспособности штам­ повых сталей предлагается проводить по прочности при изгибе

ипределу текучести при сжатии.

Вработе [33] в зависимости от условий работы все тяжелонагруженные штампы и инструменты разделены на три основные группы:

1) работающие со значительными удельными давлениями (до 60—90 кгс/мм2) при относительно плавном нагружении и высоком разогреве (до 650—700° С и более — горячая объемная штамповка на КГШП и ГКМ изделий типа клапанов, зубчатых шестерен

ит. п. из конструкционных и специальных материалов);

2)работающие с высокими удельными давлениями (до 100— 120 кгс/мм2) при ударном характере нагружения и значительном разогреве поверхностных слоев (скоростная штамповка, деформи­

19