ПРИМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Лаврентьев А.Ю.¹, Сурсимов Е.А.²

¹Кандидат технических наук, доцент, Тверской государственный технический университет, ²Студент, Тверской государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЛЯ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА

Аннотация

В работе рассмотрен комплекс требований к свойствам поверхностного слоя рабочей части штампа для листовой штамповки. Для штамповых сталей наиболее важны высокая износостойкость, ударная вязкость и прочность. Подготовлен обзор методов упрочнения поверхностным пластическим деформированием матриц и пуансонов. Наиболее эффективным методом следует считать алмазное выглаживание. Сформулированы задачи, решение которых позволит повысить эксплуатационные свойства штампового инструмента. В процессе упрочнения необходимо исключить повреждения кромки инструмента.

Ключевые слова: алмазное выглаживание, штамп, матрица, пуансон, чистовая обработка, упрочнение поверхностным пластическим деформированием, наплавленный металл, быстрорежущая сталь.

Lavrentev A.Y.¹, Sursimov E.A.²

¹PhD in Engineering, associate Professor, Tver state technical University, ²Student, Tver state technical University

THE APPLICATION OF SURFACE PLASTIC DEFORMATION FOR FINISHING PUNCHING TOOLS

Abstract

The paper discusses a set of requirements to the properties of the surface layer of the working part of the die for sheet metal forming. Die steel the most important high wear resistance, toughness and strength. Prepared a review of the methods of surface plastic deformation of matrices and punches. The most effective should be considered diamond smoothing. Formulated tasks solution of which will improve the performance properties of the die tool. In the process of hardening it is necessary to exclude damage to the edge of the tool.

Keywords: diamond smoothing, stamp, matrix, punch, finishing, hardening by surface plastic deformation, weld metal, high speed steel.

Штамповый инструмент широко распространен в заготовительном производстве на машиностроительных предприятиях. При изготовлении деталей из листовых заготовок выполняют разделительные и формообразующие операции. В современном производстве существенную часть разделительной штамповки заменили комплексы лазерной и плазменной резки. Новые технологии обеспечивают высокое качество заготовок, быструю переналаживаемость производства, высокую универсальность. Однако, в массовом и крупносерийном производстве разделительная штамповка целесообразна по причине высокой производительности и хорошего качества кромки детали. Технология разделительной штамповки может получить дальнейшее развитие только в случае изготовления штампового инструмента обеспечивающего высокую производительность и надежность работы. В работе Караваевой Д.Н. и Пучкова В.П. [1] установлены основные причины выхода из строя штампов, а именно: выкрашивание режущей кромки, смятие режущей кромки, износ по задней поверхности, объемное разрушение пуансонов.

Для обеспечения высокой работоспособности материал матриц и пуансонов должен обладать определенным комплексом механических свойств. Высокая износостойкость может быть обеспечена за счет высокой твердости поверхности инструмента. Сопротивление ударным воздействиям может быть получено за счет применения материала с высокой ударной вязкостью. Важны также выносливость, прочность, жесткость инструмента, а также стабильность его размеров. Для обеспечения необходимых свойств штамповые стали подвергают комплексному термомеханическому воздействию, выполняют отжиг, ковку, закалку, отпуск. Однако, получить инструмент с высоким комплексом свойств во всем объеме материала  затруднительно. Наиболее целесообразно изготавливать инструмент составной конструкции или повышать твердость и износостойкость поверхностного слоя за счет различных способов поверхностного упрочнения.

Упрочнение поверхностным пластическим деформированием (ППД) позволяет существенно улучшить свойства поверхностного слоя, обеспечить не только высокую твердость, но и получить низкую шероховатость, а также оптимизировать структурно-фазовое состояние материала. В последнее время опубликовано несколько работ по результатам исследований в области упрочнения штампового инструмента методами ППД.

Цель представленной работы: определить направление исследований по повышению эксплуатационных характеристик штампового инструмента на основе обзора опубликованных материалов по технологии упрочнения штамповых сталей ППД.

Опыт  эксплуатации  инструментов  для  холодной  обработки  давлением показывает,  что  одной  из  основных  причин  выхода  инструмента  из  строя является  изнашивание  матрицы  и  пуансона [2, 3].

Повышение твердости и износостойкости поверхностного слоя возможно за счет упрочнения ППД при учете ряда требований к методу обработки:

1. Требуется упрочнять стали, обладающие высокой твердостью, которые содержат твердые включения.
2. Необходимо обеспечить шероховатость не более 0,63 мкм.
3. Исключить поломки режущих кромок в процессе упрочнения.
4. Радиус скругления режущих кромок ρ должен соответствовать 30…40 мкм [4].

В литературе описано большое количество методов упрочнения ППД. Наиболее полно и системно методы упрочнения ППД рассмотрены в справочнике под редакцией Одинцова Л.Г. [5]. С учетом приведенных выше требований наиболее эффективно применять алмазное выглаживание и гидродробеструйную обработку закаленными шариками.

В монографии Петросова В.В. [6] представлены результаты  исследований применения гидроабразивной обработки для упрочнения режущего инструмента. Показана возможность упрочнения зуборезного модульного инструмента и сверл из быстрорежущей стали, обеспечивающая повышение стойкости. Микротвердость поверхности иовышается на 30…35%, глубина упрочненного слоя 230 мкм. В поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что оказывает благоприятный эффект на стойкость режущего инструмента. Обработку выполняли шариками из шарикоподшипниковой стали с трансформаторным маслом.

В работе Караваевой Д.Н. и Пучкова В.П. [1] приводятся данные о снижении износа пуансонов после выглаживания в 2…3 раза по сравнению со шлифованными пуансонами. В работе Разумова М.С. [7] приводятся результаты исследований влияния алмазного выглаживания на структуру и свойства наплавленной быстрорежущей стали Р2М8 после газолазерной резки. Установлена возможность снижения шероховатости поверхности стали в 3…4 раза, что по мнению авторов позволяет получать рабочую поверхность инструмента газолазерной резкой без шлифования. Микротвердость поверхности увеличивается с 800 до 960 HV.

В работе Двойнева А.П. [8] показаны результаты исследований влияния алмазного выглаживания на стойкость круглых резцов из быстрорежущей стали. Микротвердость поверхности удалось увеличить на 40…60%. Этот эффект авторы объясняют получением текстуры с высокой плотностью дислокаций, а также за счет распада остаточного аустенита с образованием мартенсита деформации. Остаточные напряжения обеспечивают повышение износостойкости. Шероховатость поверхности снижается с 0,32 мкм до 0,1 мкм.

В диссертационной работе [9] выполнены исследования по упрочнению выглаживанием наплавленной быстрорежущей стали. Показана возможность получения наплавленного металла в закаленном состоянии без образования трещин за счет высокого содержания остаточного аустенита в структуре. Однако, такая структура не обеспечивает достаточной твердости инструмента. Для снижения остаточного аустенита применили выглаживание. В результате удалось снизить шероховатость поверхности, а также существенно увеличить твердость поверхностного слоя. В конечном итоге разработанная технология позволила сократить процесс производства за счет замены трех кратного отпуска двух кратным. Удалось повысить микротвердость поверхности до 1200 HV_0,2.

В монографии Шнейдера Ю.Г. [10] рассмотрены различные способы получения регулярного рельефа поверхности и их влияние на эксплуатационные свойства деталей различного назначения.  Показана возможность улучшения различных характеристик изделий за счет оптимизации микрорельефа. К сожалению в работе отсутствуют рекомендации для штампового инструмента.

ВЫВОДЫ

На основании анализа печатных работ можно рекомендовать упрочнение ППД для повышения стойкости штампового инструмента.

1. Алмазное выглаживание позволяет увеличить твердость поверхности матриц и пуансонов более 960 НV.
2. Шероховатость поверхности инструмента снижается до Ra 0,1 мкм.
3. Глубина упрочненного слоя составляет 200…250 мкм.
4. Упрочнение быстрорежущих сталей достигается за счет перевода остаточного аустенита в мартенсит деформации.
5. Создаются остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое.

Дальнейшие совершенствование упрочнения ППД штампового инструмента целесообразно вести в следующих направлениях:

1. Для исключения поломок целесообразно заменить материал выглаживателя, а именно вместо алмаза использовать другие сверхтвердые материалы, обладающие большей прочностью. Возможность разрушения хрупкого алмазного выглаживателя, особенно при прерывистом выглаживании. Сколы инструмента возникают также в случае наличия пор в наплавленном металле.
2. При разработке производственного процесса изготовления штампового инструмента особое внимание следует уделить технологическим приемам по исключению повреждения кромок. При обработке задней поверхности инструмента вблизи режущей кромки возможно ее скалывание. Жесткие требования по величине радиуса скругления режущей кромки, также усложняют применение гидродробеструйной обработки.
3. Оптимизация микрорельефа поверхности позволит дополнительно повысить стойкость штампов. Это возможно, в частности, за счет лучшего удержания технологической среды на поверхности инструмента.

Литература

1. Караваева Д.Н. Повышение стойкости рабочих элементов разделительных штампов / Д.Н. Караваева, В.П. Пучков / Технические науки - от теории к практике. 2012. № 10. С. 53-65.
2. Скворцов Г.Д. Основы конструирования штампов для холодной листовой штамповки / Г.Д. Скворцов М.: Машиностроение, 1974. 321 c.
3. Попов Е.А. Технология и автоматизация листовой штамповки: Учебник для вузов / Е.А. Попов, В.Г. Ковалев, И.Н. Шубин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 480 с.
4. Бурыкин В.В. Технологические методы повышения долговечности штамповой оснастки / В.В. Бурыкин / Процессы механической обработки в машиностроении. 2009. № 7. С. 26—36.
5. Одинцов, Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. Справочник / Л.Г. Одинцов. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.
6. Петросов В. В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента / В.В. Петросов. М.: Машиностроение, 1977. 166 с.
7. Разумов М.С. Влияние алмазного выглаживания на структуру и свойства наплавленного металла в зоне лазерного воздействия / М.С. Разумов, Н.С. Зубков, Л.Е. Афанасьева / Металловедение и термическая обработка металлов 2009. № 12. С 40-43.
8. Двойнев А.Г. Совершенствование отделочно-упрочняющей обработки рабочих поверхностей алмазным выглаживанием. / А.Г. Двойнев, Ф.Я. Барац, С.Г. Александров / Автоматизация и современные технологии. 2007. №4. С. 36-39.
9. Лаврентьев А.Ю. Разработка технологии наплавки металлорежущего инструмента повышенной производительности с применением упрочнения наплавленного металла поверхностным пластическим деформированием / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Тверской государственный технический университет. Санкт-Петербург, 2000.
10. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом / Ю.Г. Шнейдер. 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. 1982. 247 с.

 References

1. Karavaeva, D. N. Increasing resistance of working elements of separating stamps / D. N. Karavayevа, V. P. Puchkov / Technical science - from theory to practice. 2012. #10. P. 53-65. [in Russian].
2. Skvortsov G. D. Basics design of dies for cold sheet metal forming / G. D. Skvortsov, Moscow: Mashinostroenie, 1974. [in Russian].
3. Popov E. A. Technology and automation of sheet metal forming: Textbook for universities / E. A. Popov, V. G. Kovalev, I. N. Shubin. M.: Izd-vo MGTU im. N. Uh. After Bauman, 2000. 480 p. [in Russian].
4. Burykin V. V. the Technological methods of increase of durability of die tooling / Vladimir Burykin / machining Processes in mechanical engineering. 2009. #7. P. 26-36. [in Russian].
5. Odintsov L. G. Hardening and finishing details by surface plastic deformation. Handbook / L. G. Odintsov. M.: Mashinostroenie, 1987. 328 p. [in Russian].
6. Petrosov V. V. Hydrotubation the hardening of parts and tools / V. V. Petrosov. M.: Mashinostroenie, 1977. 166 p. [in Russian].
7. Razumov, M. S. Effect of diamond burnishing on structure and properties of the deposited metal in the zone of laser impact / M. S. Razumov, N. With. Zubkov, L. E. Afanas'eva / Metallography and heat treatment of metals 2009. #12. P. 40-43. [in Russian].
8. Daynew A. G. Improvement of finishing-strengthening machining of the working surfaces of the diamond smoothing. / A. G. Dounev, F. J. Baratz, C. G. Aleksandrov / automation and modern technology. 2007. #4. P. 36-39. [in Russian].
9. Lavrent'ev, A. Yu., Development of technology of welding of cutting tools increased productivity with the use of hardening of the deposited metal surface plastic deformation / the dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical Sciences Tver state technical University. Saint-Petersburg, 2000. [in Russian].
10. Schneider Y.G. Operational details properties with regular microrelief / Y. G. Schneider. 2, Rev. and extra — L.: Mashinostroenie. 1982. 247 p. [in Russian].