Ra,MKM

,0 3,0 2,0 1,0

h,MKM

О 66 t33 200 266 333 WO Ш N, тыс. нагруяений

Рис. 13. зависимость шероховатости Ra (а) и линейного износа А (ff) от числа циклов нагружении для сталей-.

/ - У8: 2 - XI2M после слесарно-меха-инческой обработки; J - У8А; 4 - Xl2M после электроэрознонной обработки с энергией импульса 0,003 Дж; 5 - Х12М после электроэрознонной обработки с энергией импульса 0.014 Дж; 6 - УЗА после сле-сарно-механнческой обработки прн эксплуатации в реальных условиях; 7 - XI2M после электроэрознонной обработки с энергией импульса 0,008 Дж прн экс-плуат2инн в реальных условиях

бина зоны термического влияния составляет от 0,15 мм на черновых режимах до 0,01 мм на чистовых.

При электроэрозионной обработке разделительных штампов образуется характерная лунчатая поверхность с ненаправленно расположенными неровностями, хорошо удерживающими смазочный материал, и различными физико-химическими свойствами поверхностных и приповерхностных слоев материала.

В настоящее время при изготовлении разделительных штампов поверхности, полученные после обработки электроэрозионным методом, доводят до норм на шероховатость поверхностей, полученных традиционным способом. Прн этом удаляется специфический поверхностный слой, образованный при электроэрознонной обра-

ботке, существенно повышается трудоемкость изготовления рабочих деталей штампа и удлиняются сроки технологической подготовки производства. Это нерационально, так как при этом не используются все возможности электроэрозионного метода, ибо поверхности, полученные после электроэрознонной обработки, обладают повышенной эксплуатационной стойкостью.

В процессе нагружения рабочих частей штампа поверхности трения независимо от первоначальной шероховатости приходят к одной шероховатости, присущей данным условиям трения (рис. 13). В дальнейшем с увеличением числа циклов нагружения шероховатость этой поверхности не изменяется. Происходит как бы саморегулирование шероховатости поверхности. Если поверхности не подвергались электроэрознонной обработке, то линейный изиос (рис. 13, б) образцов из стали У8 примерно в 2 раза выше, чем образцов из стали Х12М. После электроэрозионной обработки линейный изиос уменьшается в 3-5 раз и значительно уменьшается разница в износе различных сталей. Увеличение энергии разряда при электроэрознонной обработке увеличивает глубину измененного слоя и число циклов нагружения, после которых начинается изнашивание, характерное для данного материала. Экспериментальные данные стойкости вырубных штампов подтверждают результаты исследований на моделях (образцах).

Для электроэрозионной обработки вырубных штампов большое значение имеет тот факт, что рабочие поверхности вырубного штампа независимо от первоначальной шероховатости в процессе взаимодействия с вырубаемым материалом приходят к одной шероховатости, характерной для данных условий трения. Это позволяет изготовлять вырубные штампы с большей шероховатостью поверхности, чем та, которая устанавливается в процессе трения, что экономически более целесообразно, вследствие существенного снижения трудоемкости изготовления рабочих частей штампа при применении более производительных режимов обработки и исключении дорогостоящих доводочных работ.

Сохранение иа рабочих деталях штампа поверхностного слоя, полученного электроэрознонной обработкой, имеющего более благоприятные физико-химические свойства и специфические форму и расположение неровностей, позволяет в 3-5 раз повысить его стойкость.

Поверхностное упрочнение режущих кромок с помощью лазера. К числу новых перспективных способов поверхностного упрочнения материалов следует отнести термическую обработку с помощью оптических квантовых генераторов (лазеров). Для термической обработки рекомендуется применение газовых лазеров мощностью 1-5 кВт. При лазерной обработке в большом диапазоне скоростей перемещения луча на поверхности образцов достигается температура, достаточная для перекристаллизации.

Процесс лазерного упрочнения имеет ряд особенностей, выгодно отличающих его от других методов упрочнения: получение на поверхности материала слоя с заданными свойствами путем введения легирующих элементов; локальность процесса упрочнения; применение в качестве финишной операции, так как коробление при лазерной обработке отсутствует; получение заданной шероховатости поверхности; повышение коррозионной стойкости поверхностных слоев; автоматизация процесса обработки; высокая культура производства.

На рис. 14 приведен график, иллюстрирующий изменение глубины упрочненного слоя от плотности мощности лазерного излучения для некоторых инструментальных сталей, применяемых для изготовления рабочих деталей разделительных штампов. Максимально достижимая глубина упрочненного слоя составляет 100-150 мкм.

В целях повышения стойкости разделительных штампов упрочнению подвергают режущие кромки как пуансонов, так и сопрягаемых с ними режущих кромок матриц. Упрочнение режущих кромок матриц осуществляется с использованием линейной схемы упрочнения, когда зоны воздействия лазерных импульсов, следующих последовательно друг за другом, располагаются с определенным перекрытием

d,MKM

6 q-W*Вт/см

Рнс. 14. Зависимость глубины упрочненного слоя инструментальных сталей от плотности мощности лазерного излучения:

/ - У8; г - 9ХС; 3 - ХВГ; 4 - ШХ15; 5 - XI2M

в один ряд вдоль рабочей кромки.

Производственные испытания комбинированных упрочненных штампов (пуансоны нз стали У8А, матрицы из стали Х12М) с глубиной и микротвердостью упрочненного поверхностного слоя соответственно 120 мкм и 12 ООО МПа, предназначенных для штамповки высококремнистой электротехнической стали, показали повышение стойкости между переточками в 5-7 раз (100-140 тыс. иагружеиий вместо 20 тыс. иа штампах без упрочнения).

При штамповке на быстроходных прессах применение лазерного упрочнения обеспечивает повышение стойкости штампов в 2-3 раза.

Облучение режущих кромок серийных вырубных штампов из стали У10 (закаленной и отпущенной до HRC 59 на установке Квант-16 ) увеличило микротвердость HW с 630 до 1200- 1350, а стойкость инструмента до первой переточки возросла с 4,5-5 тыс. до 10-14 тыс. иагружеиий.

Оптимальные режимы упрочнения режущих кромок вырубных штампов

с помощью лазера исследованы, исходя из условий получения максимальной глубины упрочненных слоев, определяющих стойкостные характеристики упрочненной штамповой оснастки. Исследование проводили на образцах из сталей У8, У10, 9ХС, ХВГ, ШХ15, Х12, Х12М. Х12Ф1. Упрочнение образцов выполнялось на установке Квант-16 .

В результате исследования установлено, что упрочнение без чернения обрабатываемых поверхностей характеризуется большим (до 50 %) разбросом глубины упрочненных слоев; при упрочнении поверхностей, подвергнутых чернению, глубина упрочненных слоев при равных плотностях излучения возрастает иа 20-30 %, а разброс глубины слоев не превышает 20%; твердость упрочненного слоя (при отсутствии оплавления поверхиости) практически не зависит от плотности излучения и составляет для исследуемых марок сталей HV 800-1100.

Сравнительные производственные испытания при вырубке деталей из лату-ней, бериллиевой бронзы, алюминиевых сплавов, низкоуглеродистой стали, текстолита и других материалов показали, что стойкость вырубных штампов, упрочиеиных лазерным излучением, повышается более чем в 2 раза. Число упрочнений, которым подвергаются разделительные штампы за период их эксплуатации, определяется числом их переточек.

Стойкость вытяжных и гибочных штампов. Изнашивание штампа при вытяжке проявляется в виде царапин, рисок и углублений на рабочих поверхностях матрицы и прижимного кольца вследствие налипания (приваривания) к ним мелких частиц штампуемого металла. Кроме этого, происходит постепенное измеиеиие размеров рабочих частей штампа под действием внешнего трения при значительных давлениях (р = lOO-i-200 МПа) - увеличение рабочих размеров матрицы и уменьшение размеров пуаисоиа. Размерный износ матрицы в несколько раз больше размерного износа пуансона.

Прн вытяжке с утонением (прн р = ~ 500-=-800 МПа) износ рабочих частей

штампа протекает значительно интенсивнее.

Основными конструктивными факторами, оказывающими влияние на условия работы вытяжных штампов, а следовательно, и на их стойкость, является величина закругления рабочих кромок матриц и пуансонов, профиль этих рабочих частей и величина зазоров между матрицей и пуансоном.

Большое влияние иа стойкость вытяжного штампа оказывает шероховатость рабочих поверхностей штампа. С целью повышения стойкости вытяжные матрицы подвергают полированию с доведением шероховатости их рабочих поверхностей до /?а=0,16- 0,08 мкм.

На стойкость вытяжных матриц в большой мере влияет направление штрихов (рисок) после шлифования. Риски на стенках рабочего отверстия матрицы после обычного кругового шлифования способствуют ее изнашиванию.

Шлифование и полирование вытяжных матриц с помощью гибкой абразивной ленты, движущейся в вертикальном направлении, обеспечивают продольное расположение штрихов, что повышает стойкость вытяжных штампов на 30-40 %.

Повышение промежуточной стойкости штампов имеет практическое значение ие только для разделительных, но и для вытяжных и гибочных операций, так как во многих случаях царапины и задиры появляются после 200-500 иагружений штампа, вследствие чего требуется остановка пресса и зачистка рабочнх частей штампа.

Полное изнашивание рабочих частей вытяжных и гибочных штампов обусловливается изменением зазора между матрицей и пуансоном за пределы допустимого либо сильным искажением радиуса закругления рабочнх кромок штампа.

Стойкость этих штампов до замены рабочнх частей можно определить по формуле

T[ = {+i)TK, (19)

а до Полного износа штампа Т: по выражению

Т, = Г[(п+1). (20)

в этих формулах Dj - максимально допустимый внутренний размер (диаметр) гибочной или вытяжной матрицы; Do - начальный размер (диаметр) матрицы; s - толщина слоя (по радиусу), снимаемого при каждом исправлении матрицы; 7 - стойкость штампа до исправления; п - возможное число замен матрицы; К - коэффициент, учитывающий снижение стойкости (примерно на 10-15 %) после каждого исправления.

Для повышения износостойкости и предотвращения царапин и задиров при глубокой вытяжке применяют следующие материалы для изготовления рабочих частей вытяжных штампов:

для крупных вытяжных штампов - специальные хромоникелевые чугуны;

для вытяжных штампов средних размеров, а также для гибочных, формовочных и других штампов - гра-фитизированную сталь марок ЭИ293 и ЭИ396. Графитовые включения, образующиеся в процессе отжига этой стали, повышают ее антифрикционные свойства и износостойкость;

для мелких вытяжных матриц - твердые сплавы ВК8 и ВК15, обладающие большой износостойкостью (в десятки раз выше, чем углеродистая сталь) и Н;восприимчивостью к налипанию частиц металла.

Способы Повышения стойкости штампов за счет применения износостойких покрытий, к рабочи.м деталям разделительных штампов, а также штампов для холодной объемной штамповки предъявляются высокие требования как к их объемным свойствам (высокая прочность, ударная вязкость, усталостные характеристики и т. п.), так и к поверхностным) (высокая износостойкость, низкая способность к схватыванию, высокие антифрикционные свойства и т. п.).

Весьма перспективным способом удовлетворения противоречивых требований к штамповым материалам является создание на деталях и инструментах штампов износостойких поверхностных слоев (покрытий), обладающих необходимым для работы в условиях трения комплексом триботех-

нических свойств. Новые прецизионные методы нане-

сения покрытий основаны иа конденсации частиц, имеющих высокую энергию, на поверхи сть детали.

Одним из основных требований, предъявляемых к покрытиям, является высокая адгезия наносимого материала к основе. Наиболее прочным будет соедниеиие, полученное при образовании химической связи.

к традиционным способам повышения износостойкости отиосятея: азотирование, хромирование, силициро-ваиие. к новым - борирование, ваиа-дированне, покрытие карбидом титана, покрытие нитридом титана.

Азотирование - это диффузионный процесс, его широкое распространение объясняется относительно невысокой стоимостью азотирования и тем, что весь процесс протекает при одной температуре (500-600 °С), при которой коробление деталей незначительно. Другим преимуществом азотирования является возможность его осуществления в условиях единичного производства. Азотирование вытяжных и гибочных матриц и пуансонов повышает нх поверхностную твердость и износостойкость. Твердость поверхности инструмента, насыщенной нитридами, после азотирования составляет HV 800-1150. В итоге азотирование способствует повышению экономичности технологического процесса штамповки.

Для изготовления вкладышей подшипников скольжения нз стали, покрытой бронзой, применяли инструмент из хромованадиево-молибденовой стали, закаленной до HRC 60. Однако при штамповке, вследствие адгезионного изнашивания, происходило быстрое разрушение инструмента. После замены указанной стали на быстрорежущую с более высокой температурой отпуска и последующим жидкостным азотированием при 570 С в течение 1 ч стойкость штампа возросла в 3- 5 раз.

Другим вариантом азотирования является азотирование в пасте. Применение этого способа при вытяжке деталей амортизатора грузового автомобиля позволило повысить стойкость рабочих деталей штампа до 250- 300 тыс. иагружений вместо 8-10 тыс. иагружений с улучшенными поверхностями рабочих деталей даже тогда.

N, тыс. нагружении 100-

Рис. 15. Диаграмма сравнительных стойкостных испытаний пуансона для пробивки отверстий в стальных листах толщиной до 2 мм:

а - линейная шкала; b - логарифмическая шкала; / - листовая электросталь; 11 - коррозионно-стойкая хромоникеле-вая сталь; / - сталь для глубокой вытяжки; /V - улучшаемая сталь с 0.6 % С; V - конструкционная углеродистая сталь с 0,2 С {К - без покрытия; J1 - твердое хромирование: М - азотирование; И - покрытие карбидом титана; П - граница экономически эффективного применения CVD-процесса)

N, тыс. нагружении

Рис. 16. Диаграмма сравнительных стойкостных испытаний различных способов покрытия инструмента при вытяжке кронштейна легкового автомобиля:

/ - улучшение; 2 - твердое хромирование; 3 - покрытие карбидом титана с помощью CVD-процесса

когда штамп выходил нз строя из-за , адгезионного схватывания.

Электролитическое хро.чирование. Этот способ применяют с целью повышения твердости и износостойкости пуансонов и матриц; он также сравнительно прост, как и предыдущий. Хотя электролитическое хромирование не всегда обеспечивает значительное повышение стойкости, однако оно имеет другое важное преимущество, которое заключается в том, что изношенный слой может быть снова восстановлен.

Хромирование небольших вытяжных матриц и пуансонов применяют с целью восстановления нх размеров после изнашивания. Размеры пуансонов н матриц после окончательной механической обработки должны учитывать толщину наносимого слоя хрома. Толщину хромового покрытия выбирают в зависимости от условий эксплуатации от 0,01 до 0,06 мм.

Борирование. Борирование в пасте отличается тем, что обеспечивает очень малую шероховатость поверхности (/?г = 1,96±0,3 мкм), что весьма благоприятно влияет на процесс деформирования.

Сравнительные стойкостные испытания вытяжных матриц прн изготовлении стаканчиков из алюмнння марки А99 показали, что первое кольцо, изготовленное из улучшенной стали, выдержало до схватывания и задира около 2000 нагружении; второе вытяжное кольцо, подвергнутое твердому хромированию, сработалось только после 6000 нагружении. Борирование в пасте позволило довести стойкость вытяжного кольца до 10 ООО нагружении. При этом шероховатость поверхности борированного вытяжного кольца практически не изменилась.

Способ изготовления вырубных штампов с применением борирования съемников-направляющих пуансонов, позволяет получать равномерные зазоры между их режущими кромками. Это снижает трудоемкость изготовления, доводки и сборки рабочих элементов такого рода штампов.

Прн борнрованни съемников повышается их износостойкость, так как

микротвердость рабочих поверхностей в окне съемника повышается и достигает 18 000-24 000 МПа. Глубина упрочненного слоя зависит от режимов борирования и может достигать 0,2- 0,25 мм.

Ванадирование. Образование на поверхности деформирующего инструмента слоя карбида ванадия (VC) обеспечивает значительное повышение стойкости как прн листовой, так и прн холодной объемной штамповке.

Эффективность ванадировання иллюстрируется на примере повышения стойкости вытяжного кольца при изготовлении деталей автомобилей из углеродистой конструкционной стали. Стойкость вытяжных матриц нз закаленной быстрорежущей стали едва достигает нескольких сотен деталей, тогда как применение твердосплавных матриц (с содержанием 15% Со) позволяет довести ее до 1000-4000 нагружении- Ванадированные вытяжные матрицы из инструментальной стали, легированной хромом, молибденом и ванадием, обеспечивают в среднем около 20 ООО нагружении.

Значительное увеличение шероховатости при применении данного покрытия требует тщательного полирования инструмента перед его эксплуатацией.

Покрытие карбидом титана. Такое покрытие создается осаждением на поверхность инструмента твердых материалов нз газовой фазы с помощью CVD- и PVD-процессов. Эти способы в настоящее время усовершенствованы и освоены и представляют собой неотъемлемую составную часть инструментального производства.

Внедрение вакуумно-плазменной технологии нанесения карбида титана (TiC) и нитрида титана (TIN) требует

относительно высоких затрат на приобретение оборудования (промышленных установок). Однако необходимо учитывать, что эти затраты в значительной степени компенсируются сокращением простоев прессового оборудования за счет повышения стойкости штампового инструмента, особенно в условиях автоматизированного производства. Немаловажное значение имеет и повышение качества выпускаемой продукции.

На рнс. 15 показана диаграмма с результатами сравнительных стойкостных испытаний пуансона для пробивки отверстий в стальных листах толщиной 2 мм. Видно, что пуансоны, покрытые Tie, показали наивысшую стойкость, за исключением трудно разделяемых аустенитных сталей и листовой трансформаторной стали. Стойкость прн штамповке других материалов увеличивается в 10-100 раз.

На рис. 16 приведены результаты сравнительных стойкостных испытаний для различных способов обработки рабочих частей штампа (на пятой позиции) при вытяжке кронштейна легкового автомобиля. Кронштейн штамповали нз стали для глубокой вытяжкн толщиной 2 мм. На пятой позиции штампа деформации достигают максимума и имеет место интенсивное изнашивание. Из рисунка вндио, что стойкость инструмента, покрытого карбидом титана, превышает 1 млн. нагружении. Причем поверхность инструмента после штамповки 1,1 млн. нагружении оказалась практически неповрежденной. Этот пример доказывает, что покрытия карбидом титана обладают высокой прочностью и весьма хорошими антифрикционными свойствами.