ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ШТАМПОВ

Караваева Дарья Николаевна

магистрант, АПИ НГТУ, г. Арзамас

E-mail: KaravayevaDarya@mail.ru

Пучков Вячеслав Павлович

канд. техн. наук, профессор АПИ НГТУ, г. Арзамас

INCREASE OF FIRMNESS OF WORKING ELEMENTS OF DIVIDING STAMPS

Darya Karavayeva

Master of technical science of Arzamas Polytechnical Institute

 branch of Nizhny Novgorod state technical university, Arzamas

Vyacheslav Puchkov

Candidate of Technical Sciences, professor of Arzamas Polytechnical Institute branch of Nizhny Novgorod state technical university, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Целью работы является разработка рекомендаций по повышению стойкости разделительных штампов различными упрочняющими методами. На основании классификации штампов по группам сложности, выделены детали-представители и соответствующие им разделительные штампы со сходным характером износа рабочих элементов. Для каждой группы штампов разработаны рекомендации по повышению их стойкости. Выполнение предложенных рекомендаций может значительно повысить стойкость штампов, а, следовательно, сократить количество плановых ремонтов и снизить себестоимость штамповой оснастки рассматриваемого предприятия.

ABSTRACT

The purpose of work is development of recommendations about increase of firmness of dividing stamps by various strengthening methods. On the basis of classification of stamps by groups of complexity, details representatives and dividing stamps corresponding to them with similar nature of wear of working elements are chosen. Recommendations about increase of their firmness are developed for each group of stamps. Implementation of the offered recommendations can increase considerably firmness of stamps, and reduce number of planned repairs and reduce prime cost of stamps of the plant.

Ключевые слова: стойкость; разделительные штампы; поверхностное упрочнение; износостойкие покрытия; оптимизация параметров режущих кромок; виброобработка.

Keywords: firmness; dividing stamps; superficial hardening; wearproof coverings; optimization of parameters of cutting edges; vibrating processing.

Поиск путей повышения стойкости разделительных штампов был начат с определения существующего уровня стойкости и изучения причин потери работоспособности штампов в листоштамповочном цехе одного из предприятий города Арзамаса. Объектом исследования в данной работе выступают разделительные штампы на основании отчетов по выпуску и ремонту штампов инструментальным цехом предприятия (таблицы 1 и 2), из которых следует, что этот вид штамповой оснастки имеет на данном предприятии наибольшее применение (64 % от общего количества штампов, выпускаемых заводом), а также разделительные штампы являются наиболее по сравнению с формоизменяющими штампами (средняя трудоемкость изготовления одного разделительного штампа — 172,1 н/ч, формоизменяющего — 139,6 н/ч). Средняя стоимость ремонта разделительных штампов составляет 21 % от их стоимости при выпуске (таблица 2).

Таблица 1

Отчет по выпуску штампов инструментальным цехом в 2011 г.

Таблица 2

Отчет по ремонту штампов инструментальным цехом в 2011 г.

Для определения уровня стойкости и причин преждевременного разрушения были отобраны характерные разделительные штампы и соответственно штампуемые детали, применяемые в различных приборах серийного выпуска.

Отобранная номенклатура деталей была классифицирована по принципу сопоставимости рода, свойств и механических характеристик материала заготовки, степени сложности контура разделения, точности деталей.

Классификации подвергались вырубные, пробивные и комбини­рованные штампы для штамповки готовых деталей и заготовок из листов и лент толщиной 0,05—2,5 мм из углеродистых, легированных, инструментальных, а также коррозионно-стойких и электротехни­ческих сталей, латуней, бронз, меди, алюминия и его сплавов.

Все типы деталей по форме объединены в группы, каждая из которых отличается степенью сложности вырубаемого контура и включает детали сходной конфигурации. Первая группа сложности включает детали, вырубаемые по одному замкнутому контуру, вторая детали, вырубаемые по двум или более замкнутым контурам, расстояние между которыми значительно больше толщины заготовки, третья - детали типа пластин ротора и статора, реек, деталей с узкими и острыми (угол менее 60°) выступами и перемычками между контурами, соизмеримыми с толщиной заготовки (рисунок 1).

Рисунок 1 — Классификация деталей по группам сложности:
1 группа — детали, вырубаемые по одному контуру;
2 группа — детали, вырубаемые по двум контурам;
3 группа — детали с перемычками, соизмеримыми с толщиной заготовки

В процессе изготовления партии деталей по паспорту эксплуатации штампа фиксировалась стойкость до перешлифовки рабочих частей и до полного износа штампа (таблица 3).

Таблица 3

Стойкость исследуемых штампов по рабочим чертежам

Для оценки средней стойкости штампов из каждой группы отобрали характерную деталь-представитель и соответствующий разделительный штамп со стойкостью рабочих частей менее 200 тыс. резов до полного изнашивания (таблица 4). Количество деталей (штампов), объединенных в группу, составляло от 2 до 6 наименований.

Таблица 4

Классификация деталей по группам и выбор детали-представителя

Анализ характера износа штампов, поступивших в инструментальный цех на ремонт, показал, что основными причинами этого послужили: выкрашивание режущих кромок; смятие режущих кромок; износ по задней поверхности; объемное разрушение пуансонов. Часто встречающиеся картины износа пуансонов и матриц показаны на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3. Картины износа пуансонов

Рисунок 4. Картины износа матриц

Причинами низкой стойкости являются: во-первых, интенсивное естественное изнашивание и разрушение рабочих частей штампов, изготовленных из традиционных инструментальных сталей, не отвечающих требованиям эксплуатации, во-вторых, преждевременное изнашивание и разрушение вследствие воздействия конструкторско-технологических факторов, т. е. факторов, связанных с погрешностями конструкции, изготовления и сборки штампов, а также невыполнением требований инструкций по их эксплуатации.

Можно предложить несколько способов обработки поверхностей рабочих частей штампов — поверхностное пластическое деформирование, химико-термическая обработка (ХТО), электроэрозионное легирование, лазерная термообработка, а также нанесение различных износостойких покрытий.

В результате алмазного выглаживания образуется поверхность с неровностями пологой обтекаемой формы, которую нельзя получить при лезвийных и абразивных способах обработки. Специфический микрорельеф в сочетании с высокими микротвердостью и остаточными напряжениями сжатия в тонком поверхностном слое обеспечивает существенное повышение износостойкости рабочих частей штампов [1]. В результате экспериментов получен ряд зависимостей шероховатости Ra от силы выглаживания Р_у, радиуса рабочей части алмаза r_сф и подачи S (рисунок 5) при выглаживании боковых рабочих поверхностей пробивных пуансонов из стали У10А, термообработанной до HRC 50—55. Результаты производственных стойкостных испытаний шлифованных и выглаженных пуансонов при пробивке отверстий диаметром 4 мм в детали из стали 20 толщиной 1,6 мм приведены на рисунке 6. Из полученных результатов видно, что износ выглаженных пуансонов примерно в 2—3 раза меньше шлифованных. Повышение износостойкости выглаженных пуансонов объясняется упрочнением металла в тонком поверхностном слое, улучшением условий смазки и теплоотвода из зоны пластической деформации. Данный способ упрочнения может быть применен к штампам для вырубки и пробивки заготовок простой конфигурации.

Методы ХТО позволяют получить покрытия толщиной до 40 мкм и дают возможность увеличить стойкость рабочих поверхностей: при азотировании в 1,7—3,0 раза; борировании в 1,5—3,0 раза; карбонитрации в 2—4 раза. Применение ХТО позволяет проводить наиболее эффективное упрочнение внутренних контуров матриц, интенсивно подвергающихся износу. Долговечность повышается в 2—3 раза. А использование пуансона с износостойким покрытием из TiN в совокупности с матрицей после ХТО значительно повышает границу экономической эффективности штампа (до 5—10 тыс. шт. отверстий) (рис. 7, а и б). При таком сочетании получен наилучший результат — стойкость оснастки повышается в 3—7 раз [1]. Достоинством такого вида упрочнения является его универсальность — методы ХТО могут быть применены как к штампам для вырубки и пробивки заготовок простой конфигурации, так и к сложным комбинированным штампам для получения точных деталей сложной конфигурации.

Также важным направлением повышения стойкости пуансонов является оптимизация параметров их режущих кромок, главным образом радиуса скругления режущих кромок. Установлено, что оптимальным задним углом является угол α=2°, передним — угол g=0°, а радиусом скругления режущей кромки является радиус r=30—40 мкм, формируемый электрохимическим полированием, которое обеспечивает высокое качество профиля режущей кромки [2]. Оптимизацию представляется возможным проводить у матриц и пуансонов штампов для вырубки и пробивки заготовок простой конфигурации.

Рисунок 7. Диаграммы стойкости N пуансонов (а) и матриц (б)
для пробивки отверстий в листах толщиной 2,5 мм:
I — сталь для глубокой вытяжки; II — сталь с содержанием углерода 0,6 %;
III — конструкционная сталь с содержанием углерода 0,3 %;
1 — без покрытия; 2 — азотирование; 3 — борирование;
4 — покрытие карбидом титана

Для существенного уменьшения усилия пробивки и вырубки рекомендуется виброобработка деформирующим инструментом [3], который является источником возбуждения колебаний собственных частот заготовки. Применение вибрации позволяет интенсифицировать существующие методы снижения деформирующих усилий в процессах пробивки и вырубки, рассмотренные ранее. Виброобработку целесообразно применять при вырубке и пробивке заготовок из листов и лент толщиной от 2 до 3 мм. При вырубке толстого материала пуансоном со скошенными кромками для возбуждения автоколебаний достаточно нанести рифление на скошенную рабочую поверхность пуансона (рисунок 8).

По мере внедрения пуансона в заготовку в последней возникают автоколебания, интенсифицирующие процесс вырубки. Аналогичным образом можно доработать режущие поверхности пуансонов с керном и конусом с двусторонним скосом (рисунок 10).

При групповой пробивке (многопуансонная вырубка) отверстий для уменьшения деформирующих усилий, как правило, применяют ступенчатое расположение пуансонов. Более короткие пуансоны должны проникнуть в заготовку в момент начала процесса скола при упругой разгрузке пресса после окончания процесса пробивки длинными пуансонами. Ступенчатое расположение пуансонов делают в комбинированных штампах для пробивки большого количества отверстий в деталях сложной конфигурации.

Наложение знакопеременных нагрузок на пуансон в момент образования скалывающих трещин интенсифицирует процесс разрушения. Поэтому количество длинных пуансонов можно уменьшить при соответствующем увеличении количества коротких. Это повысит общее усилие вырубки и повысит стойкость пуансонов.

Рисунок 8. Рифления на скошенной рабочей поверхности пуансона

 Рисунок 10. Рифления на режущих поверхностях пуансонов
с керном и конусом

На основании экспериментальных исследований [3] было выявлено снижение усилий пробивки при применении предложенного инструмента в среднем в 1,56 раза.

Выполнение предложенных рекомендаций поможет значительно повысить стойкость штампов, а, следовательно, сократить количество плановых ремонтов, сэкономить дорогостоящие и дефицитные штамповые стали, увеличить производительность труда и улучшить условия работы штамповочных цехов.

Список литературы:

1.Бородий Ю.П. Повышение стойкости режущих элементов разделительных штампов поверхностным упрочнением//Вестник национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». № 60, 2009. С. 60—63.

2.Бурыкин В.В. Технологические методы повышения долговечности штамповой оснастки//Процессы механической обработки в машиностроении. № 7, 2009.С. 26—36.

3.Марцинюк О.Б., Маркевич А.Г. Виброобработка деформирующим инструментом при разделительных операциях листовой штамповки // Вестник КДПУ имени Михаила Остроградского. № 1, 2009. С. 42—45.