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

Проковка заготовок штампов и упрочняющая обработка. Для улучшения структуры и обрабатываемости заготовок штампов реко­ мендуется их проковка.

Проковка заготовок обеспечивает измельчение карбидной фазы и более равномерное ее распределение. При этом карбидная неод­ нородность снижается на 2—4 карбидных балла.

На основе проведенных исследований автор обзора рекомендует температурные интервалы проковки заготовок цельных и корпусов сборных штампов ниже, чем обычно применяют для ковки сталь­ ных заготовок из тех же сталей при получении необходимых форморазмеров. Например, для заготовок цельных матриц из стали У10А целесообразны следующие режимы проковки: температура начала ковки — 950—1000° С, окончания — 790—810° С.

Выбор схемы проковки заготовок зависит от назначения штам-* пов. Для холодновысадочных матриц рекомендуется трехкратная осадка с последующими вытяжками и четвертая осадка до получе­ ния необходимого размера заготовки и продольного расположения волокон.

Проковка мало эффективна для заготовок диаметром менее 60 мм, которые имеют, как правило, удовлетворительную струк­ туру.

По данным исследований, проковка повышает износостойкость и усталостную прочность штампов из сталей У10А, Х12М, Х12Ф1, Р18 и других, а также увеличивает срок сохранения стабильной величины натяга между корпусом и вставкой сборных штампов при штамповке изделий благодаря повышению усталостной прочности корпусов из сталей ЗОХГСА, 40Х и др.

Улучшение свойств штамповых сталей, обеспечивающих увели­ чение стойкости, достигается проведением упрочняющих видов об­ работки. Так, согласно данным работы [33], т.ермомеханическая об­ работка (ТМО) сталей типа Х4В2М1Ф1 обеспечивает повышение прочности до 450—500 кгс/мм2, предела текучести при сжатии до 275—340 кгс/мм2 и предела ограниченной выносливости на 20— 25%. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) сталей Х12Ф1, Х6ВФ увеличивает прочность при изгибе до 440 и 530 кгс/мм2, ударную вязкость до 5 и 7 кгс • м/см2 соответственно, а также предел текучести при сжатии.

Термическая обработка инструмента и штампов. При выборе режимов термообработки инструментальных сталей необходимо учитывать, что штамп во время работы разогревается и может про­ исходить нежелательный самоотпуск рабочей поверхности штампов при деформации.

Для повышения стойкости штампов необходимо точно соблю­ дать время нагрева и выдержки при термообработке, что обеспечи­ вается автоматизацией этих процессов.

Обычно при изготовлении стальных штампов стремятся полу­ чить максимальную их твердость после закалки. Для штампов

30

сложной конфигурации с целью предупреждения образования за­ калочных трещин рекомендуется применять ступенчатую закалку.

После шлифования штампов необходим отпуск для снятия растя­ гивающих напряжений, которые могут вызвать появление мельчай­ ших трещин, переходящих при эксплуатации в макротрещины, и привести к выходу штампа из строя.

После шлифования трудношлифуемых сталей карбидного клас­ са (особенно плоского) для снятия внутренних напряжений реко­ мендуется не позднее чем через два часа производить отпуск при 150—-170°С в течение 2—2,5 час. Если температура отпуска штампов более 450°, то отпуск после шлифования следует производить при температуре 300—450° С. Если при пооперационном шлифовании перерывы между операциями превышают один час, следует произ­ водить отпуск при 120—140° С в течение одного часа (47]. Низко­ температурные отпускные печи или масляные ванны целесообраз­ но устанавливать непосредственно возле шлифовальных станков.

Прессовые штампы из малодеформирующихся при термообра­ ботке сталей рекомендуется шлифовать до термической обработки, а после нее производить только полирование рабочих поверхно­ стей. Такая обработка обеспечивает высокую стойкость штампов за счет исключения вторичной закалки и вторичного отпуска при шлифовании после термообработки.

Для уменьшения напряжений в пуансонах для обратного холод­ ного выдавливания стали рекомендуется через 5—10 тыс. штампоударов нагревать их на 20—50° С ниже температуры отпуска.

Закалка штамповых сталей в масле с применением ультразвука значительно повышает механические свойства стали, при этом не наблюдается брак по трещинам и короблению.

Эффективно применение индукционного нагрева для местной термообработки штампов горячей штамповки. Например, готовые Штампы можно подвергать вторичной закалке на установке ТВЧ на повышенную твердость. При местной вторичной закалке на уста­ новке ТВЧ до твердости НДС 58—63 вкладышей для штамповки конических шестерен с зубом, изготовленным из стали ЗХ2В8, полу­ чено повышение стойкости в 3—4 раза, прессовых штампов, изго­ товленных из сталей 5ХНВ, 5ХТСВФ и 5ХНМ с дополнительной закалкой и отпуском до НДС 50—52, — на 50—60% [1]- При нагре­ ве поверхности штампов т.в.ч. в поверхностном слое образуются остаточные напряжения сжатия.

Представляет интерес не нашедший широкого применения ме­

в воде, масле или на воздухе.

Химико-термическая обработка. Повысить поверхностную твер­ дость, износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стой­ кость, окалиностойкость и увеличить стойкость штампов и инст­ румента можно также химико-термической обработкой. С целью упрочнения поверхности применяют цементацию, азотирование, бо-

31

рирование, цианирование либо наносят на поверхность детали слой из более твердого металла (например, хромирование).

Цементация. Насыщение поверхностного слоя углеродом при це­ ментации обеспечивает получение высокой поверхностной твердо­ сти, износостойкости и усталостной прочности инструмента и штампов.

Цементации целесообразно подвергать холодновысадочный ин­ струмент из высоколегированных сталей марок Х12М, 9X18, 1X13— 4X13, Х17, ШХ15. Некоторые отечественные заводы цементируют пуансоны, матрицы и другой инструмент из стали ШХ15.

Вработе (60] рекомендуется шестигранные матрицы для холод­ ной штамповки гаек изготавливать из цементируемой стали 2365 (состав, %: С—0,3; Si—0,3; Мп—0,3; Сг—2,8; Мо—2,8; V—0,52).

Цементированный поверхностный слой имеет чрезвычайно высокую износостойкость, а сердцевина — высокую прочность и вязкость. Кроме того, сталь 2365 хорошо выдавливается в холодном состоя­ нии. Глубина цементированного слоя 0,8—1 мм. Стойкость цемен­ тированных матриц из стали 2365 при высадке гаек под ключ раз­ мером 16 мм, составила 480 тыс. гаек при твердости сердцевины матрицы HRC 49.

Вданном случае применение цементированных гаечных шести­ гранных матриц более эффективно, чем применение сборных матриц

со вставками из быстрорежущей стали, которые имеют стойкость на 20% выше, но значительно дороже и более трудоемки в изготов­ лении.

Азотирование. Поверхностное насыщение стали азотом приме­ няется для повышения износостойкости штампов горячего дефор­ мирования и штампов холодной объемной штамповки. Азотирова­ ние повышает твердость, красностойкость и износостойкость штамповых сталей, а также приводит к образованию на поверхности остаточных напряжений сжатия. Азотированная поверхность сохра­ няет свою твердость после нагрева до 500—650° С. Стойкость азо­ тированных штампов повышается в 1,5—2,5 раза.

Лучшая износостойкость при высокой твердости (HV 1340) обес­ печивается при толщине азотированного слоя: 0,015—0,02 мм для быстрорежущих сталей Р18; Р12; 0,065—0,075 мм для высокохро­ мистых сталей Х12М; 0,12—0,23 мм для хромовольфрамовых ста­ лей ЗХ2В8Ф, 4Х5В2ФС. Рекомендуемые режимы азотирования: 520° С, 1 час (или 560° С, 20 мин) для быстрорежущих сталей; 520—540°С, 6 час для высокохромистых сталей; 520—540° С, 6 час (или 540—560° С, 4 час) для хромовольфрамовых сталей [12]. При азотировании всех инструментальных сталей на поверхности соз­ дается слой, содержащий двухфазную смесь: твердый раствор по­ вышенной травимости и светлые нитриды [12].

Проводились испытания усталостной прочности стали ЗХ2В8Ф на образцах диаметром 7,5 мм без надреза в условиях изгиба при вращении с циклом 10~7 оборотов [11]. Азотирование обеспечивает значительное повышение усталостной прочности, которая в два

32

раза выше (85 кгс/мм2) , чем у неазотированной стали (46 кгс/мм2) (рис. 8).

По данным работы [67], фирма Fiat (Италия) подвергает азоти­ рованию более 500 типов штампов горячей штамповки. В качестве

няется возникновением на поверхности борированной стали боридного слоя, состоящего из нескольких слоев: в порядке удаления от поверхности — FeB, FeB + Fe2B; Fe2B и борный цементит соста­ ва РезВо.вСо.г- За боридным слоем находится переходная зона, в ко­ торую оттеснен углерод из слоя боридов, за ним следует исходная

сердцевина. При борировании в поверхностном слое возникают остаточные сжимающие напряжения.

Не рекомендуется шлифование борированной поверхности из-за опасности образования трещин. Допускается при необходимости проводить влажное шлифование алмазным крутом. Можно прово­ дить притирку борированной поверхности карбидом бора или ал­ мазной пастой.

Борирование значительно повышает стойкость штампов. Так, при высадке болтов М20 на фрикционном прессе штампы из стали 4ХВ2С (твердость HRC 56—58) имели стойкость 3—4 тыс. дета­ лей, а средняя стойкость борированных штампов из стали У8 со­ ставила 12—15 тыс. деталей.

При штамповке гаек М16 на прессе матрицы из стали 7X3 (твер­ дость HRC 59—61) имели стойкость 10 тыс. деталей, а стойкость борированных матриц из стали У8 составила 36 тыс. деталей [1].

Имеется информация о повышении стойкости молотовых штам­ пов из стали 5ХНВ путем покрытия рабочей поверхности слоем алюминия на глубину 0,3 мм.

Хромирование. Гальваническое и диффузионное хромирование применяется как для повышения стойкости вновь изготовленных, так и для восстановления рабочих размеров изношенных инстру­ ментов и штампов (для холодной высадки, горячей штамповки).

Наибольший эффект дает хромирование высокоуглеродистых сталей, так как при этом образуется большое количество карбидов

хрома, упрочняющих хромированный слой. Твердость хромирован­ ной поверхности HV 1200—1300. Толщина слоя хрома составляет 0,01—0,07 мм (гальваническое хромирование) и 0,01—0,04 мм (диффузионное хромирование). Хромирование повышает стойкость штампов в 1,5—2,5 раза.

В работе [29] рекомендуется штамловые стали 5ХНМ, ЗХ2В8Ф и 4Х5МФС для повышения износостойкости подвергать диффузион­ ному хромированию и комплексному диффузионному насыщению (хромированию, цементации и цианированию). Лучшим комплек­ сом механических свойств после всех вариантов хромирования об­ ладает сталь 4Х5МФС.

Металлизация. Фирма Todco (США) стойкость штампов горя­ чей штамповки повышает металлизацией рабочей поверхности Ni или W. Имеется также зарубежный опыт повышения стойкости пуансонов калибровочных штампов с 200—250 шт. до 50 тыс. изде­ лий путем металлизации слоем чистого молибдена толщиной 0,12 мм с последующим шлифованием до 0,05 мм (фирма Buick, США).

Фирма Сашеса (Швейцария) производит аппарат Penetron, предназначенный для нанесения на рабочие части штампов тонкого слоя твердого сплава, что повышает стойкость штампов и устраня­

34

ет налипание материала заготовки на рабочие части штампов при формоизменяющих операциях.

Толщина слоя твердого сплава 0,02—0,04 мм, твердость HRC 72—77. Шероховатость поверхности 5—20 мкм. Твердосплавное по­ крытие можно наносить на углеродистые инструментальные (1,1 %С ), легированные стали (1,05% С, 0,9% Мп, 1,1 %Cr, 1,5W) и быстро­ режущие стали (0,8% С, 5% Мо; 4,3% Сг, 2% V), применяемые со­ ответственно для легких, средних и тяжелых условий работы штам­ пов. Поверхность твердосплавного покрытия можно полировать. Твердосплавное покрытие пористое, что способствует удержанию смазки на рабочих частях штампов [66].

В работе [62] изложен опыт повышения стойкости штампов для листовой штамповки путем нанесения на рабочую поверхность слоя TiC. Отмечается низкий коэффициент трения покрытия TiC о штампуемый материал (0,2—0,6 без смазки и 0,12 со смазкой). Применение смазок повышает стойкость штампов в 3—6 раз, даже когда толщина слоя TiC составляет 3 мкм.

Наплавка. В машиностроении для восстановления и повыше­ ния износостойкости штампов и инструмента широко применяется наплавка.

Применяют следующие методы: наплавку под флюсом, в среде защитных газов, вибродуговую и- электрошлаковую, токами высо­ кой частоты, порошковой проволокой с внутренней защитой, руч­ ную дуговую наплавку, наплавку трением. Применяется также плазменное напыление.

Износостойкий наплавочный материал подбирается в зависимо­ сти от характера выполняемой операции и конструкции штампов. Прутковый и порошковый сормайт по ГОСТ 11545—65 применяют в качестве наплавок для матриц и пуансонов отрезных, вытяжных, гибочных и калибровочных штампов, работающих вхолодную, а также благодаря его высокой твердости и красностойкости — для восстановления кузнечных штампов, работающих в условиях высо­ кой температуры (горячая обрезка, гибка, высадка).

Стойкость штампов и инструмента, наплавленных сормайтом и работающих в тяжелых условиях на горячей штамповке, повышает­ ся в 4—10 раз1по сравнению с таким же инструментом, изготовлен­ ным из легированной стали.

Стойкость прессовых штампов холодной штамповки и горяче­ высадочных штампов можно также повысить наплавкой их стел­ литом.

Для наплавки режущих кромок обрезных матриц и пуансонов рекомендуются электроды ЭН-60М, ОЗИ-1 (табл. 3) [47].

Молотовые штампы рекомендуется наплавлять электродом мар­ ки ОЗШ-1 [17]. Тяжелонагруженные прессовые штампы для горяче­ го формообразования, горячепрошивные пуансоны и матрицы, вставки полугорячей калибровки гаечных ключей и другие рекомен­ дуется наплавлять электродами марки ОЗИ-З.

35

Штампы, наплавленные электродами ОЗШ-1, имеют стойкость, равную или на 20—30% большую, чем стойкость штампов из ста­ ли 5ХНМ, а наплавленные электродами ЭН-60М, в 2—4 раза. Стой­ кость инструмента, наплавленного электродами ОЗИ-З, повышается в 1,5—3 раза по сравнению с инструментом из стали 5ХНМ и ЗХ2В8М [47]. Наплавка электродами ОЗИ-З штампов для горячего калибрования заготовок гаечных ключей повышает их стойкость в 3—7 раз [17]. Указанные электроды серийно выпускает Московский опытный сварочный завод.

Следует отметить, что износостойкость наплавленных штампов в значительной степени зависит от качества выполнения процесса, так как даже при применении одной и той же марки наплавляемо­ го сплава не всегда обеспечиваются одинаковые свойства наплав­ ленного слоя.

Электроэрозионная обработка. Электроискровой и электрон м- пульсный методы обработки применяют для получения различных канавок, пазов, фасонных отверстий в штампах, прошивки сквоз­ ных и глухих отверстий любой сложной формы, графирования тор­ цовых поверхностей пуансонов, накатывания их, а также при пред­ варительной обработке для снятия большого припуска. Этими мето­ дами можно окончательно обрабатывать ручьи ковочных штампов после их закалки, что исключает деформацию фигуры ручья штам­ па в результате термической обработки и упрощает восстановление изношенных штампов. При электроэрозионкой обработке рабочих ручьев горячих штампов значительно повышается производитель­ ность труда.

В настоящее время электроэрозионную обработку применяют в автомобильной промышленности для изготовления тяжелых штам­ пов для штамповки кузовных деталей. При этом значительно уве­ личились размеры электродов-инструментов, обрабатываемые по­ верхности и количество удаляемого металла с обрабатываемой за­ готовки. Вес электродов иногда достигает нескольких тонн.

Тенденциями развития электроэрозионной обработки штампов являются: внедрение крупногабаритных электроэрозионных стан­

36

ков, применение источников рабочих импульсов с системой нало­ жения вспомогательного высокого напряжения, использование системы оптимального контроля и управления, применение одно­ временной обработки раздельными электродами-инструментами с самонастраивающейся следящей системой.

В последнее время при изготовлении твердосплавных деталей разделительных штампов широкое применение находит электро­ искровая. обработка непрофилированным электродом-инструментом в виде непрерывно движущейся тонкой проволоки.

Однако при внедрении этих методов обработки следует иметь в виду, что электроэрозионная обработка приводит к возникновению на обработанной поверхности растягивающих остаточных напряже­ ний, что снижает усталостную прочность обработанных материалов. Поэтому обычно после электрозрозионной обработки назначают дополнительно чистовую обработку.

При электроискровой обработке быстрорежущей стали на ее по­ верхности образуется большое количество остаточного аустенита (до 90%), что приводит к снижению твердости, износостойкости и усталостной прочности.

При электрозрозионной обработке твердых сплавов в поверх­ ностных слоях возникают остаточные растягивающие напряжения и микротрещины из-за неравномерного температурного поля при нагревании и особенно при охлаждении, что вызывает неравномер­ ные объемные изменения в поверхностных слоях.

Чем короче импульс, тем меньше глубина напряженного и де­ фектного слоя. Но осуществить электрический режим с малой про­ должительностью импульса, обработка на котором исключит появ­ ление остаточных напряжений и возникновение дефектного слоя, очень трудно. Обычно стараются свести их до возможного мини­ мума.

Электроискровое упрочнение рабочих частей штампов. Электро­ искровое упрочнение рабочих частей штампов из штамповых сталей производится электродами из твердых сплавов марок Т15К6 и Т30К.4 и графита марок ЭГ2 и ЭГ4. Твердосплавные электроды при­ меняют при упрочнении вырезных штампов, графитовые — при упрочнении вытяжных и формовочных штампов [21]. Стойкость уп­ рочненных штампов повышается в 1,5—2 раза.

Однако метод не нашел широкого применения, что можно объяс­ нить трудностями контроля качества обработанной поверхности.

Л а з е р н а я о б р а б о т к а . Лазерный метод обработки труд­ нообрабатываемых материалов имеет незначительное применение при изготовлении штампов и инструмента. Его применяют для по­ лучения отверстий в алмазах при изготовлении волок для волоче­ ния проволоки или при повторном рассверливании на больший раз­ мер вышедших из допусков по износу алмазных волок (наимень­ ший диаметр 0,01 мм).

Имеется информация о применении лазера на основе ССЬ с не­ прерывно излучаемой мощностью 200 вт для прорезания сложных

37

профилей при изготовлении матриц штампов, предназначенных для выполнения прорезей в картоне.

Размерная обработка инструмента и штампов. Обработка твердых сплавов. Фактически снимаемый при обработке твердых сплавов припуск составляет 0,2—1,8 мм в зависимости от способа получения заготовки.

Твердые сплавы имеют высокую твердость и пониженную вяз­ кость, что создает большие трудности при их механической обра­ ботке.

Ультразвуковая обработка — один из прогрессивных видов об­ работки твердосплавных штампов. На 1ГПЗ на ультразвуковых станках обрабатывают сферы, радиусы и фаски в твердосплавных вставках матриц и пуансонов для высадки шариков. Однако этот вид обработки не получил широкого распространения из-за появле­ ния на обработанной поверхности дефектных (по шероховатости) зон, а также сложности расчета и изготовления инструмента.

время обработку твердосплавных штампов кругами КЗ применяют в качестве предварительной операции для удаления значительного припуска. При шлифовании твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы с содержанием Со 15—25% кругами из карбида крем­ ния зеленого поверхность имеет дефекты в виде трещин, вырывов, сколов при значительных микронеровностях, что снижает показате­ ли стойкости.

Имеется информация о целесообразности нагрева шлифуемых твердосплавных изделий до 600° С. При этом интенсивность съема твердого сплава увеличивается в 20—30 раз. Повышения произво­ дительности обработки твердых сплавов и улучшения качества можно добиться за счет введения при шлифовании в зону резания кислорода под давлением.

А л м а з н о е ш л и ф о в а н и е . Алмазное шлифование широко применяется для обработки плоских, круглых наружных и внутрен­ них, а также фасонных поверхностей твердосплавных изделий на плоско-, кругло- и профильно-шлифовальных станках.

Целесообразно применять алмазное шлифование наружных по­ верхностей твердосплавных вставок, что повышает чистоту обрабо­ танной поверхности и точность обработки деталей, обеспечивающие высокое качество оборки при запрессовке твердосплавных вставок в корпус матрицы. При внутреннем шлифовании твердосплавных вставок с целью получения необходимой скорости вращения алмаз­ ного круга (20—30 м/сек) применяют электрошпиндели с 18 000— 48 000 об/мин.

Применяемый алмазный инструмент и режимы алмазного шли­ фования твердого сплава широко освещены в литературе. Алмазное шлифование обеспечивает точность обработки 1—2 класса и шеро­

38

ховатость поверхности у8—у13 (по ГОСТ 2789—59) при произво­ дительности 40—100 мма)мин.

В отечественной и зарубежной практике все большее примене­ ние находят алмазные круги с металлическим покрытием алмаз­ ных зерен, которые применяются для шлифования твердых спла­ вов, закаленных сталей, твердых сплавов со сталью, наплавлен­ ных поверхностей. Наиболее эффективны круги на органической связке. Металлическое покрытие алмазных зерен обеспечивает луч­ ший отвод тепла и лучшее удержание алмазов связкой круга. При алмазном шлифовании твердосплавных изделий в фазах WC и Со возникают сжимающие остаточные напряжения, которые значи­ тельно выше, чем при шлифовании кругами из карбида кремния зеленого. Разрушение зерен карбидов вольфрама происходит в ос­ новном за счет среза.

Работами Института сверхтвердых материалов установлено, что после алмазного шлифования предел прочности при изгибе твердых сплавов повышается на 15—30%, увеличивается ударная вязкость

иусталостная прочность.

Всборных штампах часто одновременно шлифуют твердосплав­ ную вставку и стальной корпус. Обработка твердосплавной встав­ ки совместно со стальным корпусом матрицы имеет свои труд­ ности.

Автор обзора проводил одновременную обработку твердого

Согласно данным работы (19], при плоском шлифовании твер­ дого сплава марки ВК20 совместно с термообработанной сталью 40Х (HRC 48—50) целесообразно применять алмазные круги АСР и АСВ на связке Б 156 50 и 100%-ной концентрации и работать без охлаждения.

Обработка закаленных сталей. Шлифование. Для шлифования закаленных штамповых сталей наибольшее применение находят круги из электрокорунда, монокорунда, карбида кремния. Приме­ няемые марки кругов и режимы шлифования широко освещены в литературе.

Жесткие режимы шлифования закаленных сталей этими круга­ ми приводят к возникновению на шлифуемой поверхности шлифо­ вочных трещин, прижогов (участков с повышенной твердостью) и зон отпуска (участков с пониженной твердостью), которые сни­ жают изнбсостойкость деталей штампов и приводят к преждевре­ менному выходу их из -строя.

При жестких режимах шлифования на поверхности штамповых сталей возникают высокие растягивающие напряжения, снижающие контактную выносливость и прочность стали при изгибе и способ­ ствующие возникновению на шлифованной поверхности трещин че* рез некоторое время после шлифования или при эксплуатации.

39