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

Происходящие три шлифовании закаленных сталей структурные превращения приводят к изменениям остаточных напряжений. На­ пример, при шлифовании закаленной стали с чисто мартенситной структурой в поверхностном слое возникает структура мартенситоаустенита или мартенситотроостита и формируются растягивающие остаточные напряжения. При переходе перлита в мартенсит возни­ кают сжимающие остаточные напряжения. Поэтому информация о структурных преобразованиях <в отдельных поверхностных слоях штампов и инструмента позволяет качественно, а в отдельных слу­ чаях с определенным приближением даже количественно оценить характер распределения остаточных напряжений.

При определенных условиях шлифования изделий из закален­ ных сталей в поверхностном слое образуется повышенное количе­ ство остаточного аустенита (до 30—40%). что приводит к сниже­ нию контактной выносливости, усталостной прочности и износо­ стойкости.

На поверхности изделий из закаленных сталей при шлифовании на форсированных режимах возникают растягивающие напряже­ ния, достигающие иногда 80—100 kzcJmm2. При благоприятных ре­ жимах шлифования и последующем выхаживании на обработанной поверхности создаются сжимающие остаточные напряжения.

Выхаживание в конце цикла шлифования изделий из закален­ ных сталей повышает микротвердость на 18—20%, чистоту поверх­ ности примерно на один класс и создает остаточные сжимающие напряжения до 70 кгс/мм2. Это приводит к улучшению эксплуата­ ционных свойств обработанной поверхности, особенно контактной усталостной прочности [51].

При выхаживании также значительно повышается геометриче ская точность формы шлифуемой поверхности. Овальность, конус­ ность и неперпендикулярность образующей отверстия к торцу дета­ ли уменьшается на 20—25%•

В работе [27] рекомендуется для предотвращения появления тре­ щин и прижогов, а также повышения стойкости штампов труднооб­ рабатываемые высокохромистые стали Х12, Х12М, Х12Ф1 шлифо­

40

кругами АПП на металлической связке М04 с металлизированны­ ми алмазами АСКМ 160/125. Режимы шлифования: о„р=30 м!сек\

^изд=15 м/мин, snp= l м/мин\ t —0,005-f-0,04 мм/дв.ход [2].

Для сравнения испытывали также £руг из электрокорунда. Про­ изводительность при алмазном шлифовании в два раза выше, чем при абразивном. Стоимость снятия 1 см3 металла, в которую вхо­ дят заработная плата станочника, расходы на инструмент, стои­ мость электроэнергии, амортизационные отчисления, затраты на ре­ монт и обслуживание оборудования, при алмазном шлифовании в 1,5—2 раза ниже, чем при абразивном шлифовании (рис. 9).

Г'

о.

Рис. 9. Стоимость снятия 1 см? металла при абразивном шлифовании (а) и при алмазном шлифовании (б):

наружной поверхности матриц из инструментальных сталей марок Н-13, М-1, М-2, Д-2, W-1 с твердостью HRC 40—63 [68].' Режимы

41

Применение алмазных кругов обеспечило получение шерохова­ тости обработанной поверхности V7b— V8a и повышение произво­ дительности обработки в три раза по сравнению со шлифованием кругами из электрокорунда. Одним алмазным кругом обрабатыва­ ют 3600 матриц.

В работе {32] представлены результаты исследований на элек­ тронном микроскопе модели УЭМВ-ЮОА образцов из закаленной стали ШХ15 после обработки абразивным и алмазным кругами. Исследовалась структура поверхностных слоев образцов как непо­ средственно с обработанной поверхности, так и по сечению, пер­ пендикулярному к обработанной поверхности.

Структура исследуемой поверхности образца и поверхности се­ чения выявлялась травлением в 3%-ном растворе азотной кислоты

вметиловом спирте.

Вобоих случаях микроструктура основного металла состоит из металлической матрицы, представляющей собой низкоотпущенный скрытокристаллический мартенсит с избыточными карбидами.

При абразивном шлифовании на поверхности изделия виден плохо травимый в 3%-ной азотной кислоте «белый слой», толщина которого в пределах 0,001—0,002 мм. Структура поверхностного слоя значительно изменена, в переходной зоне от «белого слоя» к основному металлу наблюдаются микротрещины.

При алмазном шлифовании толщина «белого слоя» значитель­ но меньше, микротрещины отсутствуют, карбиды расположены по поверхности равномерно, а их размеры практически не отличаются от размеров карбидов основной структуры. Высокое качество по­ верхности закаленных сталей после алмазного шлифования обеспе­ чивает повышение их износостойкости и усталостной прочности.

В последнее время для обработки закаленных сталей находит применение алмазное ленточное шлифование, что обеспечивает по­ лучение изделий с высокой чистотой обработанной поверхности и приводит к улучшению структуры поверхностного слоя.

Ш л и ф о в а н и е к р у г а м и из э л ь б о р а . Круги из эльбора успешно применяются для шлифования различных закаленных штамиовых сталей с твердостью до HRC 60—65. Круги из эльбора практически не засаливаются, вследствие чего отпадает необходи­ мость в их правке. Обработка производится на внутри-, плоско- и круглошлифовальных станках. Применяются органическая, керами­ ческая и пластмассовая связки. В табл. 4 приведены свойства аб­ разивных материалов, в табл. 5 — рекомендуемые режимы работы кругов из эльбора на органической и керамической связках.

42

ч

Круги из эльбора обеспечивают минимальную шероховатость, высокую производительность и сжимающие остаточные напря­ жения.

Круги из эльбора зернистостью Л 16—Л4 на органических и ке­ рамических связках обеспечивают получение шероховатости обра­ ботанной поверхности в пределах V7—V8, а круги зернистостью ЛМ28—ЛМ5 на органической связке при высокой жесткости систе­ мы СПИД оборудования в пределах V II — V12.

В работе {28] приводятся результаты исследования шлифования кругами из эльбора, монокорунда, карбида кремния и белого элек-> трокорунда ванадиевокобальтовых (Р12Ф4КЮМ2) и ванадиевых (Р12Ф5М) закаленных быстрорежущих сталей. Круги из эльбора по сравнению с другими имеют наибольшую режущую способность, что обеспечивает повышение скорости съема металла (производи-

43

тельности) в два раза и удельной производительности (при сопо­ ставимых режимах работы) в 55—145 раз. Износ кругов из эльбора был в 50—100 раз меньше износа кругов из других абразивных ма­ териалов.

Выполненные в работе (28] рентгенографические исследования показывают, что в поверхностных слоях образцов стали Р12Ф4КЮМ2 прошлифованных кругом из эльбора, фазовых превра­ щений не происходит и вторичный аустенит не образуется, в то время как при шлифовании кругами из Э9А, М и КЗ на образцах образовывалось до 45% вторичного аустенита.

Вработе (71] приводятся данные об опыте применения в ФРГ кругов из эльбора при шлифовании вырубных штампов.

При шлифовании деталей штампов кругами из эльбора снижа­ ются затраты времени на 70% по сравнению с корундовыми шлифо­ вальными кругами. Стойкость штампов, обработанных шлифова­ нием эльбором, значительно повышается.

ВВенгрии для шлифования штампов из специальных железо-

титановых сплавов (33% Т1С; 0,35% С; 2% Сг; 2% Мо; 0,8% Си; у= 6,6 г/см3) успешно применяются круги из эльбора ЛПП 60-100 зернистостью Л-10 на керамической связке твердостью С2—СТ2. Этими кругами сплав обрабатывается как в сыром (HRC 38—42), так и в закаленном (HRC 70—73) состоянии.

При оптимальных режимах плоского и профильного шлифова­ ния: цкр= 16 м/сек (без применения СОЖ) и о1ф = 20 м/сек (с при­ менением СОЖ); snp= 5-fl0 м/мин\ snon=0,01 -н0,1 мм обеспечи­ вается получение шероховатости поверхности V9 [22].

ВХарьковском политехническом институте проводилось иссле­ дование процесса алмазного, электроалмазного и эльборового шли­ фования новых штамповых' сталей 125Х12Ф1, 190Х12Ф4, 110Х6Ф1, 170Х6Ф4М, 110ХЗФ1, 170ХЗФ4М [14]. Исследования показали, что производительность алмазного шлифования в два раза ниже, чем эльборового, и в несколько раз ниже, чем электроалмазного. При эльборовом и алмазном шлифовании обеспечивается высокая чи­ стота обработанной поверхности ( V 8— V 10). После электроалмаз­ ного шлифования чистота обработанной поверхности хуже, чем при алмазном и эльборовом и его можно рекомендовать как черновой процесс. Чистовая же обработка может быть выполнена за несколь­ ко проходов при выключенном токе или с применением эльборового или алмазного шлифования кругами на органических связках.

Вработе [20] отмечается, что при чистовом шлифовании быстро­ режущей стали Р12 наиболее эффективно применение кругов из бе­

лого электрокорунда на эпоксидной связке и карбида кремния зе­ леного на бакелитовой связке.

Э л е к т р о л и т и ч е с к о е ш л и ф о в а н и е . Алмазно-электро­ литическое шлифование применяется для шлифования твердых сплавов, закаленных сталей и одновременного шлифования твер­ дого сплава со сталью. При этом совмещаются электрохимическая и механическая обработки—сочетаются электрохимическое (анод­

44

ное) растворение обрабатываемого твердого сплава с механическим ал мазным шлифованнем.

Рекомендуется применять при электроалмазном шлифовании электролит следующего состава, %: нитрата натрия или калия — 5, фтористого натрия — 5, нитрита натрия — 0,3 и воды 89,7.

Вработе [40] рассматривается метод обработки алмазно-элек­ тролитическим способом на внутришлифовальном станке модели■ ЗА228 твердосплавных вытяжных матриц, при котором исключается образование микротрещин на обрабатываемой поверхности. Для обработки применяется специальный инструмент — конусные алмаз­ ные круги типа АПУ и алмазные кольцевые сверла.

Вработе [36] приводятся рекомендации по применению кругов из кубического нитрида бора на металлической связке для шлифо­ вания закаленной стали ШХ15 с наложением электрического тока.

Вкачестве электролита применяли водный раствор 5%-ного нитра­ та натрия с добавкой 0,5% нитрита натрия. Электрические и меха­

вания штамповых сталей и твердых сплавов с сообщением инстру-. менту механических колебаний с частотой 22 кгц и амплитудой 10—20 мкм в направлении, перпендикулярном к обрабатываемой поверхности. Применение ультразвука повышает чистоту обраба­ тываемой поверхности, производительность процесса и стойкость алмазных кругов.

Направлением развития алмазно-электролитического шлифова­ ния является применение ультразвукового алмазно-электролитиче­ ского метода, в основе которого лежит интенсификация анодного растворения сплава путем создания ударных циклических нагрузок на обрабатываемую поверхность, приводящих к коррозионному рас­ трескиванию сплава.

Виброобработка. Имеется информация о повышении стойкости стального инструмента для холодной высадки путем вибронаклепа.

При виброполировании в поверхностном слое изделий из твер­ дых сплавов образуются сжимающие остаточные напряжения (до 30—40 кгс/мм2), равномерно уменьшающиеся по глубине.

Обработка труднообрабатываемых материалов резанием. Авто­ ром обзора проведены исследования, показавшие возможность и эффективность применении резцов из твердых сплавов марок ВК.ЗМ, ВК60М и эльбора-Р для обработки разных труднообрабаты­ ваемых материалов [46]. Обработка производится без применения СОЖ на токарно-винторезных станках типа 1К62, жесткость кото-1 рых соответствует паспортным данным.

Твердый сплав ВКЗМ наиболее эффективно применять для раз­ вертывания отверстий диаметром 3—12 мм в твердосплавных вставках марок ВК15, ВК20, ВК20К, ВК20КС, ВК25 перед чисто

45

вой доводкой или хонингованием. Геометрия развертки следующая:

мости от марки обрабатываемого твердого сплава.

Шероховатость поверхности каналов вставок, обработанных ре­ занием развертками, находится в пределах V6—V10 в зависимо­ сти от режимов резания.

В изделиях из твердых сплавов ВК.20, ВК20К, ВК25 можно сверлить отверстия. Сплавы ВК.20 и ВК25 можно обрабатывать точением, осуществляя следующие операции: точение по наружной поверхности и отрезание заготовки.

Выполнены исследования, показавшие возможность замены в отдельных случаях шлифования закаленных поверхностей (наруж­

Обработка резанием инструментом из твердого сплава марки ВКЗМ эффективна также для наплавленных поверхностей. Напри­

группы марок ВК15, ВК20, ВК20КС, ВК20К, ВК25, наплавленных поверхностей с твердостью до HRC 65. Возможно выполнение опе­ раций наружного точения, растачивания и подрезки торцов

(рис. 11).

Резанием резцами из зльбора-Р могут быть также получены канавки, радиусы скруглений, небольшие углубления, галтели, фас­ ки, выборки, переходы в изделиях ступенчатой формы и т. д. При­ чем обработка такими резцами наиболее эффективна для выполне­ ния чистовых операций при изготовлении прессового инструмента (пуансонов, матриц, выталкивателей и др.).

При обработке спечерных твердосплавных вставок точени­ ем эльбором-Р геометрия, например, проходных резцов следующая:

ваемых твердых сплавов — для ВК15—и= 15—20 м/мин-, для ВК20,

ВК20К, ВК20КС — V—154-25м/мин-, для ВК25 — w = 20=35м/мин)-, t = 0,1 4-0,5 мм\ s = 0,035=0,1 мм/об.

46

За критерий затупления резцов из эльбора-Р принят износ по задней грани. При чистовой обработке /i3=0,2-t-0,3 мм, при черно-

= 0,4- 0,5 мм.

Рис. 11. Конструкции резцов:

а — проходного; б — подрезного; в — расточного для расточки сквозных отверстий; г — расточного для расточки глухих отверстий

При токарной обработке наружной и торцовой поверхностей спеченных твердосплавных изделий обеспечивается получение ше­ роховатости поверхности V7—У 8 и 2—3 класс точности обработки.

Было проведено исследование микроструктуры обработанной резанием твердым сплавом марки ВКЗМ или эльбором-Р поверх­

47

ности изделий из закаленных и цементированных сталей, твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы и наплавленных поверх­ ностей. Изменений структуры или дефектов поверхности, в том числе микротрещин, прижогов, зон отпуска обнаружено не было.

При правильно выбранных режимах резания и конструкции ин­ струмента в тонком поверхностном слое (10—20 мкм) изделий ивтруднообрабатываемых материалов, обработанных твердым спла­ вом ВКЗМ или эльбором-Р, создаются сжимающие остаточные на­ пряжения, что благоприятно сказывается на долговечности и на­ дежности эксплуатации штампов.

Эльбор-Р по производительности и экономическим показателям более эффективен, чем твердый сплав ВКЗМ. В ряде случаев при­ менение резцов из эльбора-Р способствует упрощению технологи­ ческого процесса (в отдельных случаях механическая обработка труднообрабатываемых поверхностей может полностью выполнять­ ся на токарно-винторезном станке) и снижению штучного времени, что в итоге в 2—3 раза повышает производительность труда по срав­ нению с абразивной обработкой. В отдельных случаях эффективна обработка резанием труднообрабатываемых материалов с подогре­ вом обрабатываемой поверхности.

Доводка, притирка и полировка рабочей поверхности штампов.

Доводка и притирка улучшают чистоту поверхности штампов и при­ водят к повышению их стойкости.

Для доводки, притирки и полировки штампов применяются пас­ ты, состоящие из твердых (зерна синтетических и натуральных алмазов, эльбора и абразивов) и неабразивных компонентов, в ко­ торые в отдельных случаях входят и химически активные вещества (олеиновая и стеариновая жирные кислоты и т. д.).

Алмазные пасты можно применять для доводки и притирки штампов из твердых сплавов, азотированных, цементированных, закаленных сталей.

Синтетические алмазные пасты применяют на киевском заводе «Арсенал» для обработки штампов и деталей штампов из твердых сплавов марок ВК15, ВК20 и инструментальных сталей марок Р 18, Х12Ф1, ХВГ, У10А, У12А, закаленных до высокой твердости. При этом применяют чугунные, стальные, деревянные (обычно из твер­ дых пород) и пенопластовые притиры. Притирка производится вручную или механически на станке.

Применение синтетических алмазных паст обеспечивает' высо­ кое качество поверхности и точность размеров изделий.

Представляет интерес применение при доводке вырубных и компаундных «беззазорных» штампов , для обработки тонких материа­ лов плоскопараллельных стеклянных притиров, которые обеспечи­ вают высокую чистоту обработки и взаимную параллельность ре­ жущих кромок матрицы, пуансона и пуансон-матрицы.

Находят применение также пасты из эльбора при доводке рабо­ чих поверхностей штампов из закаленных сталей.

48

Ленинградский завод «Ильич» серийно изготовляет водостойкую шкурку из эльбора зернистостью 8-М5 на шифоновой основе. По данным работы [49], применение водостойкой шкурки из эльбора эффективно при лекальных работах и на машинно-ручных операци­ ях полирования, выполняемых на токарных станках, при зачистке и полировании деталей штампов с целью получения шероховатости поверхности до V10—V13. Эффективна обработка деталей штам­ пов из сталей У8А, У10А, ХВГ, ХГ, Х12, ШХ15, закаленных до твердости HRC 58—62.

Алмазное выглаживание. Для окончательной чистовой обработ­ ки прессовых пуансонов и выталкивателей, изготовленных из ста­ лей Р18, ШХ15 и других целесообразно применение алмазного вы­ глаживания, которое обеспечивает получение шероховатости по­

ролики. У полированных роликов износ больше на 20—40%, а у шлифованных — в 1,5—3 раза по сравнению с выглаженными

(рис. 12) [41].

СТОЙКОСТЬ И ХАРАКТЕР ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА И ШТАМПОВ

При обработке металлов давлением производительность обо­ рудования, качество и себестоимость изделий во многом зависят от стойкости инструмента и штампов. Как указывалось выше, на их износостойкость оказывают влияние характеристики качества по­ верхности — геометрическая точность формы контактирующих де­ талей, шероховатость и топография поверхности, величина и знак остаточных напряжений, микротвердость.

Износостойкость штампов характеризуется способностью матери­ ала их поверхностного слоя сопротивляться микроскопическим раз­

49