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

3) работающие с высокими удельными давлениями (до 220— 240 кгс/мм2 и более) в широком диапазоне скоростей нагружения при холодном деформировании и с существенным разогревом по­ верхности (до 300—450° С — объемное прессование, некоторые операции вырубки, высадки, калибровки и др.).

Для каждой группы штампов и инструмента приводятся реко­ мендации по оптимальному содержанию и соотношению элементов в штамповых сталях:

в теплоустойчивых сталях повышенной пластичности ~3,5% хрома, ~1,0% вольфрама, ~ 1 ,5% молибдена и ~0,8% ванадия; в сталях высокой теплоустойчивости ■—-3,0% хрома, 3,5% вольф­

рама, —-1,0% молибдена и —<1,8% ванадия; в высокопрочных сталях для холодного деформирования

~4,0% хрома, ~2,0% вольфрама, ~1,0% молибдена и -—-1,0%. ва­ надия.

В табл. 1 приведены рекомендуемые ЭНИКМАШем для изго­ товления штампов горячего и холодного деформирования стали и их химический состав [47].

Инструмент, испытывающий высокие ударные нагрузки (напри­ мер, холодновысадочные матрицы) в отдельных случаях целесо­ образно изготавливать из сталей с поверхностной закалкой (на­ пример, У8А, У10А и др.), что обеспечивает высокую твердость и износостойкость поверхности при мягкой вязкой сердцевине, вос­ принимающей изгибающие и ударные нагрузки. Матрицы из ста­ лей ic малой прокаливаемостью делают всегда цельными, а из ста­ лей со сквозной прокаливаемостью составными, предварительно напряженными.

Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления штампов холодного и горячего деформирования, при высоких дав­ лениях, так как в них сочетаются высокие значения износостой­ кости, предела выносливости, прочности на сжатие, горячей твер­ дости и отпускной стойкости. Например, инструментальный цех завода фирмы Bulten (Швеция) изготовляет ежегодно около 300 тыс. единиц высадочного инструмента, в основном из быстро­ режущей стали. Инструмент перед употреблением контролируется при постоянных температуре и влажности.

В работе [33] для холодного прессования вместо стали Р18 рекомендуется применять сталь 8Х4В2С2МФ (ЭП 761), которая обеспечивает повышение стойкости не менее чем в 1,5—1,8 раза.

В работе [10] вместо дорогих быстрорежущих сталей при штам­ повке с повышенными динамическими нагрузками рекомендуется сталь 6Х4М2ФС, закаленная в масле от 1070—1090° С и три раза отпущенная при 535—545° С, а для деформирования с повышенны­ ми удельными давлениями сталь 9Х5М2ФС, закаленная в масле от 1070—1090° С и отпущенная при 535—545° С 4—5 раз. Рекомен­ дуется также [9] применять для изготовления высадочных и чека­ ночных штампов сталь 6ХЗФС (0,56% С; 0,33%' Мп; 0,63% Si;

20

3,5% Cr; 1,1% V, остальное Fe). Эта сталь имеет ударную вяз­ кость 2—2,5 кгс-м/см2 и твердость HRC 57—59 после непре­ рывной закалки и 5—6 кгм/см2 и HRC 52—54 после изотермиче­ ской закалки.

В работе [42] отмечается, что штампы из сталей марок 4ХЗВМФ, 40Х2СВМФ10 и 45Х2СВ2МФ имеют более высокую эксплуатаци­ онную стойкость в условиях горячей штамповки по сравнению со сталями 5ХНВ, 4Х2В2, ЗХ2В8Ф.

В зарубежной практике для штампов горячей штамповки [58] лучшей признана сталь Н13 (AISI), содержащая 0,34% С, 50% Сг, 1,2% Si, 0,44% Мп, 1,22% Мо, 1,10%, V.

Развитие штамповых сталей идет как по пути создания новых сталей, так и по пути улучшения имеющихся; последнее дости­ гается применением электрошлакового, вакуумно-дугового, элект­ роннолучевого и плазменно-дугового переплавов, значительно по­ вышающих ударную вязкость и износостойкость сталей [33]. Все эти способы переплава обеспечивают высокую чистоту (малое ко­ личество неметаллических включений, низкое содержание газов), плотность и однородность металла. Применение этих способов переплавов не оказывает влияния на изменения твердости и вели­ чину зерна аустенита после термической обработки, однако они приводят к значительному повышению пластичности, ударной вяз­ кости, усталостной прочности и снижению анизотропии свойств. Уровень прочности сталей горячего деформирования практически остается неизменным, а сталей холодного деформирования повы­ шается [33]. Вакуумная плавка и вакуумная дегазация аргоном повышают также полируемость штамповых сталей.

Имеются рекомендации по применению ультразвуковой обра­ ботки кристаллизующихся инструментальных* сталей, например У10А, Р18, при вакуумно-дуговом и электрошлаковом переплавах для улучшения их структуры и свойств.

Твердые сплавы. Как в отечественной, так и зарубежной прак­ тике для армирования прессовых штампов и инструмента в ос­ новном применяют твердые сплавы вольфрамо-кобальтовой груп­ пы. Они имеют высокую твердость, высокое сопротивление исти­ ранию и сжатию, но хрупкие и с низкими жаропрочностью, ударной стойкостью и сопротивлением изгибу.

При спекании твердых сплавов группы WC—Со возникают тер­ мические напряжения, которые, как правило, сжимающие в кар­ бидной фазе (10—40 кгс/мм2) и растягивающие в кобальтовой фазе (100—140 кгс/мм2). Термические микронапряжения оказы­ вают влияние на механические свойства сплавов WC—Со. Карбид вольфрама при сжатии прочнее, чем при растяжении, поэтому сжимающие микронапряжения благоприятно влияют на свойства твердых сплавов. Сопротивляемость твердых сплавов разрушению от удара при работе в условиях сжимающих нагрузок возрастает с увеличением содержания кобальта в сплаве и зернистости фа­ зы WC.

23

Всесоюзным научно-исследовательским институтом твердых сплавов разработана серия специальных сплавов с особо крупным зерном карбида вольфрама (6—25 мкм). У этих сплавов, несмотря на низкую прочность при изгибе, значительное сопротивление ударным сжимающим нагрузкам. Так, работа разрушения при сжатии у сплава ВК.20К составляет 22 кгс-м/см3, у сплава ВК20— 9,5 кгс-м/см3 и у сплава ВК25— 13,0 кгс-м/см3. Максимальная деформация сжатия перед разрушением у сплава ВК20К состав­ ляет 9,5%, а у сплава ВК20 — 3%' и у сплава ВК25 — 4,5% [46]. Это объясняется тем, что с увеличением размера зерен WC уве­ личивается толщина кобальтовой прослойки между зернами, ко­ торая является локализатором деформаций, возникающих от внешней нагрузки, приложенной к твердому сплаву. При этом степень «блокирования» кобальтовой прослойки жесткими зерна­ ми WC уменьшается, что и приводит к увеличению ее пластич­ ности и повышению сопротивляемости твердого сплава ударным нагрузкам.

Впоследнее время за рубежом для армирования прессовых штампов применяют твердые сплавы, содержащие небольшое ко­ личество карбидов тантала (до 4%), что повышает показатели стойкости.

ВФРГ фирма Widia для прессовых штампов выпускает сплавы WC—Со с содержанием кобальта 12—25 % При этом сплавы, с содержанием Со 12—20% содержат также 3% TiC + TaC.

Твердосплавные штампы применяются для выполнения опера­ ций вырубки, пробивки, зачистки, высадки, вытяжки, выдавлива­ ния. В табл. 2 приведены основные данные (средние значения) свойств твердых сплавов, применяемых для армирования инстру­ мента и штампов.

Для толстых листовых материалов твердые сплавы использу­ ются при гибке, зачистке, пробивке, чеканке. Известен опыт при­ менения твердосплавного штампа для пробивки отверстий в стали с 1%, Si толщиной 4,7 мм.

Применять отечественные твердые сплавы вольфрамокобальто­ вой группы с содержанием кобальта 15—25% для вырубки сталей толщиной 5 мм и выше нельзя из-за возникновения интенсивного окалывания на торце инструмента вследствие высоких напряже­ ний.

В последнее время при изготовлении твердосплавных вставок для обработки давлением (пуансонов, штампов и т. п.) начали применять метод горячего изостатического прессования, заключа­ ющийся в спекании сплавов в среде инертного газа (обычно ар­ гона) при высоких температурах (1410—1510°) и давлениях (1000—1380 бар). Этот процесс позволяет получить высокопроч­ ные изделия с высоким классом чистоты поверхности, пористостью ниже 0,0001% и повышенной прочностью на изгиб. При горячей

24

штамповке твердые сплавы применяют значительно меньше, чем при холодной штамповке.

Железотитановые твердые сплавы. В США, ФРГ, Японии,

Венгрии для армирования прессовых штампов применяют твердые железотитановые сплавы на базе карбида титана с использовани­ ем в качестве ~связки среднелегированной стали, содержащей 0,7% С. Сплавы не содержат WC и Со, в них 30—70% TiC, осталь­ ное сталь (0,7% С; 2—3% Сг; 2—3% Мо) [46].

Изготовляют эти сплавы спеканием из порошков мелких зерен карбида титана и легированной стали. После отжига они имеют твердость HRC 38—42, что позволяет подвергать их механиче­ ской обработке. После механической обработки сплавы подверга­ ют термообработке—-закаливают на твердость до HRC 65—72. Термообработанный сплав имеет высокую износостойкость. Его с успехом применяют при изготовлении пуансонов и матриц для хо­ лодного выдавливания контактов из меди, алюминиевых тюбиков и баночек для косметики, пуансонов и матриц вытяжных, выруб­ ных, формовочных штампов при обработке различных сталей, в том числе и таких труднодеформируемых, как нержавеющие.

Износостойкость железотитановых сплавов равна, а в отдель­ ных случаях превосходит износостойкость твердых сплавов воль­ фрамокобальтовой группы. После азотирования поверхности штам­ пов на глубину 0,08—0,10 мм их твердость повышается до HRC 72.

Более высокая твердость (HRC 72) и износостойкость железо­ титановых сплавов по сравнению с вольфрамокобальтовыми объ-

25

ясняются тем, что твердость карбида титана и мартенситной основы соответственно 3200 и 900 кгс/мм2, а кобальта 100 кгс/мм2, Некоторое применение для армирования штампов находят кар­ бидохромовые твердые сплавы, состоящие обычно из карбидов хрома и никеля и получаемые методом порошковой металлургии. Их применение сдерживается небольшой прочностью при изгибе.

Твердосплавный и стальной инструмент. Обычно в штампах стремятся комбинировать твердосплавный и стальной инструмент. Например, на Московском тубном заводе для выдавливания алю­ миниевых туб (емкостей для расфасовки парфюмерной, химиче­ ской, пищевой и технической продукции пастообразного вида) на специальных прессах-автоматах горизонтального типа раньше применяли стальной инструмент, стойкость которого составляла: матрицы — 48 тыс., 'матричного кольца — 24 тыс., пуансона — 15 тыс. и иглы — 6 тыс. изделий. Институт сверхтвердых материа­

ВК20 [38] (рис. 7). Теперь стойкость твердосплавной матрицы и матричного кольца составляют около 1 млн. изделий. При этом чистота наружной поверхности туб повысилась на один-два класса.

Рис. 7. Инструмент для холодного выдавливания туб:

10 — корпус; в — твердосплавное матричное кольцо; / / — корпус; 13 — вставка

Алюминиевые сплавы. Для изготовления матриц вытяжных и гибочных штампов применяют алюминиевые бронзы, имеющие твердость НВ до 440, низкий коэффициент трения. Их изготовля­

26

ют цельными или вставки из алюминиевой бронзы запрессовывают в стальные обоймы. Возможна также наплавка алюминиевой бронзы на матрицы. Стойкость вытяжных матриц из алюминиевой бронзы между перешлифовками составляет 20 тыс. деталей, а об­ щая стойкость превышает 200 тыс. деталей.

Алюминиево-цинковый сплав АЦ-13. Из дешевого алюминиево­ цинкового сплава АЦ-13, имеющего хорошие литейные свойства и низкий коэффициент трения по большинству металлов, изготав­ ливают литые матрицы вырубных штампов. Их применяют в се­ рийном и мелкосерийном производстве. Матрицы из сплава АЦ-13 в процессе вырубки самозатачиваются за счет срезания вдавлен­ ного внутрь края рабочего отверстия более твердым пуансоном.

Пластмассы и другие материалы. Пластмассы достаточно ши­ роко применяются для изготовления вытяжных, формовочных, гибочных штампов для прессов и молотов. Обычно применяют полиэфирные, кремнийорганические, фенольные и эпоксидные пластмассы. Для изготовления штампов применяют также и стек­ лопластики.

Пластмассовые штампы на 30—60% дешевле и значительно легче металлических, технология их изготовления относительно проста.

В пластмассовых штампах изготовляют листовые детали из нержавеющей стали, латуни, оцинкованной стали, алюминия тол­ щиной обычно до 0,5—1,5 мм. В отдельных случаях штампуют детали и большей толщины (например, из алюминия толщиной до 5—7 мм).

Стойкость штампов из эпоксидных смол повышают армирова­ нием их различными волокнами: стальными, алюминиевыми, стеклянными, а также металлизацией рабочих поверхностей на­ пылением. Напыленный слой порист и хорошо удерживает смазку. Пластмассовые штампы имеют стойкость до 200 тыс. изделий до восстановления. В ряде случаев штампы из эпоксидных смол можно применять без смазки. Пластмассы применяют также для крепле­ ния отдельных частей штампов (например, пуансонов в пуансонодержателях).

Для рабочих частей штампов применяется также прессованная твердая древесина с фенолформальдегидной пропиткой.

На заводах Италии для предотвращения появления царапин на наружной поверхности декоративных деталей из никелированных листовых заготовок при V-образной гибке применяют матрицы из нейлона, изготовленные путем обычной механической обработки [13]. Матрицы имеют хорошую стойкость, смазка не применяется.

применяют массивные литые и кованые штампы. Для более крупных деталей применяют штампы из бетона, железобетона, пластмасс. Известен опыт применения крупного штампа (для формовки полу­ сферической формы диаметром 3000 мм из алюминия толщиной 19 мм) из стекловолокна и смол, установленного на сварной метал­

27

лической раме со спиральными пружинными и деревянными амор­ тизаторами под вытяжным стальным кольцом.

Известен также опыт применения железобетонных матриц со слоистой облицовкой эпоксидной смолой Епокса АП-1 при взрыв­ ной формовке несимметричных деталей кабины грузового автомо­ биля.

Матрицы для штамповки взрывом можно также изготовлять из алебастра, дерева или использовать комбинации различных мате­ риалов.

На заводе Aerojet General Согр. (США) для взрывной формов­ ки крупногабаритных изделий применяют штампы из льда, которые не разрушаются под действием ударных нагрузок. При этом ис­ пользуют специальные холодильные машины, которые поддержи­ вают штампы в замороженном состоянии независимо от окружаю­ щей температуры.

В судостроении и вагоностроении для вытяжки и формовки крупногабаритных деталей применяют бетонно-металлические

штампы [21].

Иногда для вытяжки малых серий деталей применяют штампы из мелкозернистых твердых чугунов.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

Износостойкость и усталостная прочность штампов определяют­ ся физико-механическим состоянием их тонкого наружного слоя. Конечные характеристики обработанных поверхностей формируются не только на финишных операциях. Их эксплуатационные свойства характеризуются химическим составом, структурой тончайших на­ ружных слоев металла, микротвердостью, микро- и макрогеометри­ ей, напряженным состоянием, поверхностной энергией и др. На ко­ нечные характеристики поверхности инструмента воздействует весь комплекс выполняемых операций (сказывается технологическая на­ следственность) [50]. Поэтому важно весь технологический цикл изготовления штампа выполнять на высоком техническом уровне.

В последние годы для изготовления штампов начали применять станки с программным управлением, а также технологические про­ цессы, при которых используются ЭВМ, что обеспечивает значи­ тельное повышение точности изготовления штампов и качества их рабочей поверхности и что способствует повышению их стойкости. Широко применяются для изготовления инструмента и штампов методы обработки давлением.

Выдавливание. Выдавливание совместно с обработкой резани­ ем, термической обработкой, полированием после термической об­ работки и т. д. широко применяется на отечественных заводах и за рубежом для изготовления штампов, в том числе и для получения гравюр весьма сложной формы. Применяется выдавливание без по­

28

догрева (холодное) и с подогревом до 150—250°С, полугорячее

(600—700°С) и горячее (850—1000°С).

При изготовлении штампов и инструмента резанием волокна заготовки перерезаются, что приводит к созданию концентраторов напряжений, усугубляющихся последующей термической обработ­ кой, а пластическая деформация волокон заготовки при выдавлива­ нии обеспечивает стойкость штампов, в 1,5—3 раза превышающую стойкость штампов, рабочая поверхность которых получена реза­ нием.

На зарубежных заводах с целью повышения эффективности процессов выдавливания применяют выдавливание в условиях ви­ бронагружения, что позволяет уменьшить величину необходимых технологических усилий, выдавливание с наложением ультразвуко­ вых колебаний, обеспечивающее снижение усилия на 30—35% и существенно уменьшающее интенсивность наклепообразования. Имеется также отечественный и зарубежный опыт использования энергии взрыва для выдавливания вхолодную и вгорячую штампов.

Стойкость штампов, изготовленных выдавливанием взрывом, значительно превышает стойкость штампов, изготовленных выдав­ ливанием на гидравлических прессах и обработанных резанием.

Имеется также опыт получения пуансонов холодновысадочных 1 аечных автоматов методом осадки цилиндрической заготовки в за­ крытой матрице. При необходимости посадочная часть инструмента может быть выполнена за две осадки.

Литые штампы. В последние годы стали широко применять ли­ тые штампы и вставки к ним вместо кованых. На ГАЗе, ЗИЛе, заводе «Большевик» и других молотовые штампы и вставки для КГШП и ГКМ изготовляют литьем из сталей 5ХНВ и 5ХНТ [1]. При изготовлении стальных литых штампов применяется как литье в формы, так и литье по выплавляемым восковым моделям.

Литьем получают прессовые и молотовые штампы, холодновы­ рубные штампы, штампы для высокоскоростной формовки, матри­ цы и пуансоны для холодной высадки, матрицы и пуансоны для го­ ризонтально-ковочных машин, штампы холодной объемной штам­ повки, штампы для горячего выдавливания.

Применение литых штампов позволяет выдерживать жесткие допуски, уменьшить объем или вовсе устранить необходимость ме­ ханической обработки, значительно снизить ее трудоемкость, уве­ личить долговечность штампов.

Для окончательной обработки литых штампов широко приме­ няется электроэрозионная обработка, что позволяет применять ли­ тые штампы из материалов, имеющих разный химический состав и любую твердость в термообработанном состоянии. Толщина снимае­ мого слоя составляет 0,75—1,0 мм.

Отмечена хорошая шлифуемость литых штампов без образова­ ния шлифовочных-трещин.

29