CC BY
2
УДК 621.981
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-611-612
АНАЛИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ДЕФОРМИРУЮЩЕГО ХОЛОДНОВЫСАДОЧНОГО
ИНСТРУМЕНТА
В.Н. Кокорин, О.И. Морозов, Н.В. Мишов, А.Ю. Трещев, П.П. Шариков, О.С. Тякунов
Проведен анализ стойкости пуансона холодной объемной штамповки с износостойким покрытием ИМ в рамках опытно-промышленных испытаний. Показана характерная стадийность износостойкости холодновысадочного инструмента от числа ударов.
Ключевые слова: стойкость, высадка, износ, покрытия, пуансон, холодная объемная штамповка, испытания.
Холодная объемная штамповка (ХОШ) является одним из прогрессивных ресурсосберегающих методов изготовления изделий. Ее применение позволяет получать заготовки, максимально приближенные по форме и размерам к готовым деталям и способствует снижению трудоемкости производства за счет устранения или сведения к минимуму необходимости последующей доработки.
Процессами ХОШ изготавливаются пространственные детали сложных форм (сплошные и с отверстиями) при обеспечении высокой размерной точностью и качеством поверхности, это уменьшает объем обработки резанием, и как следствие, обеспечивает снижение себестоимости изделия. При холодном деформировании устраняется совсем (или частично) пористость металла, формируется благоприятно ориентированная структура металла, что определяет высокую усталостную прочность, в том числе, при динамических нагрузках [1-2].
Процессы холодной объемной штамповки характеризуются смещением объема металла при пластической деформации, в результате чего наблюдается интенсивное упрочнение металлов, характеризующееся увеличением сопротивления деформирования, и, как следствие, низким уровнем стойкости штампового инструмента.
Рост доли деталей в машиностроении, изготавливаемых процессами ХОШ, определяет повышение требований к работоспособности тяжелонагруженного инструмента, эксплуатируемого в условиях значительных контактных напряжений. В процессе холодной объемной штамповки основную нагрузку испытывает рабочий деформирующий инструмент - матрицы, пуансоны, при этом, контактные давления на рабочих поверхностях зачастую превышают более 2000 МПа, что приводит как к повышенному износу контактных рабочих поверхностей, так и к снижению качества продукции [3-5].
Основными причинами повышенного износа рабочих поверхностей штампового инструмента процессов ХОШ являются высокий уровень контактных напряжений, неравномерно распределенных по рабочей поверхности штампа, дефектность кристаллической решетки металла и ее неблагоприятная ориентация по отношению к направлению максимальных напряжений. Анализ стойкости штампов целесообразно проводить с момента появления небольших дефектов, которые могут быть исправлены механическим или другими способами (наплавка, полировка и др.), и до полного износа - с того момента, когда отштампованные детали перестают отвечать требованиям чертежа или техническим условиям [3].
В таблице 1 представлены референсные значения стойкости рабочих деталей штампов процессов ХОШ согласно данным справочной литературы [3].
Таблица 1
Стойкость штампов холодной высадки
Тип штампа Мягкая сталь, тыс./ударов Сталь средней твердости, тыс./ударов
Высадочный (0=4.. .40 мм) 10 - 25 3,5 - 6
Одним из эффективных способов повышения эксплуатационного ресурса рабочих деталей штампов ХОШ является применение функциональных покрытий, обеспечивающих повышение работоспособности тяжелонагру-женных деталей штампа холодной штамповки, в том числе, износостойкость и трещиностойкость [7]. Среди различных методов нанесения защитных покрытий на инструмент наиболее широкое применение получили методы физического осаждения покрытий, в частности, метод ионно-плазменного напыления, а именно PVD (Phisical Vapor Deposition), или MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc) [8].
Методы физического осаждения покрытий универсальны с точки зрения получения гаммы однослойных и многослойных покрытий практически любого состава, в том числе с керамоподобной и наноразмерной структурой. Они позволяют реализовывать процессы нанесения покрытий при температурах до 500°С, что обеспечивает возможность их применения для подложки из теплостойких, полутеплостойких, быстрорежущих сталей, твердых сплавов и керамики.
Сущность метода ионно-плазменного напыления заключается в испарении материалов (получения металлического пара) катодными пятнами вакуумной дуги в рабочее пространство камеры с одновременной подачей реакционно способных газов и последующей конденсации паров материалов либо их соединений с газами на рабочих поверхностях инструмента в условиях ионной бомбардировки.
В рамках технологического алгоритма реализации процесса катодно-ионной бомбардировки (КИБ) на установке «Булат» рассмотрен адсорбционный процесс осаждения дискретных капель расплава TiN на твердую подложку (рис. 1).
ТЧ50? ]Калод(Ме)\
(титан. Л/
ионы Л
гп и т*
ш
камера с Н2
синтез ' МеИТИ-ПЩ)]
адгезид
(дислокации) субстрат
аакрытие (Ш) подложка (сталь!
Рис. 1. Структурно-технологический алгоритм нанесения износостойкого покрытия Т1Ы в процессе ионно-плазменной бомбардировки на стальную подложку: 1 - Блок получения капельного расплава Т1Ы; 2 - Блок термодинамических процессов при нанесении жидкой фазы на твердую подложку; 3 - Блок кристаллизации покрытия
На рисунке 2 представлено оборудование и принципиальная схема установки ионно-плазменного напыления покрытий типа «Булат».
а б
Рис. 2. Установка ионно-плазменного напыления «Булат»: 1 - корпус; 2 - стол с образцами; 3 - катоды; 4 и 5 -системы вакуума и подачи реакционного газа (а - схема установки; б - фото установки)
В таблице 2 представлены основные виды износостойких покрытий, применяемые в технологии КИБ.
Таблица 2
Основные виды износостойких покрытий
Наименование Цвет покрытия Микротвердость, ГПа Толщина, мкм
TiCN Серо-голубой 37 1-4
™ Золотой 24 1-7
Светло-золотой 32 1-4
тш Фиолет.-черный 35 1-4
TiAlCN Фиолет.-красный 28 1-4
По результатам экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками ФГБОУ ВО УлГТУ, АО «Ульяновский НИАТ», АО «Ульяновский патронный завод» установлено [9], что покрытия, нанесенные методом КИБ, позволяют существенно повысить эксплуатационный ресурс работы инструмента ОМД применительно к процессам листовой штамповки.
В тоже время, в промышленной практике процессов ХОШ применение деформирующего инструмента с покрытием крайне ограниченно, отсутствуют рекомендации по выбору материала покрытия, его характеристик, виду и схемам нагружения.
С целью некоторого восполнения информации по использованию износостойких покрытий в процессах ХОШ на ООО «УАЗ-механосборочное производство» (г. Ульяновск) были проведены опытно-промышленные испытания с использованием штампового инструмента холодной объемной штамповки при изготовлении детали № 3962290634 «Втулка наружняя» за счет совмещения формоизменяющих операций высадки и дорнования (штамп №А91-
612
2594, рабочий инструмент - пуансон № А91-2594-5). Использовано износостойкое покрытие - TiN (нитрид титана), толщина покрытия - 2-3 мкм. Покрытие наносилось на установке «Булат-3» (ФГБОУ ВО УлГТУ, г. Ульяновск, лаборатория «Износостойкие покрытия»). В качестве катода применялся титановый стержень, использован реакционный газ - азот (Ы), рабочая температура камеры - 450 °С, продолжительность нагрева в камере - 45 минут.
Опытно-промышленные испытания проведены в рабочем режиме предприятия ООО «УАЗ - механосборочное производство» на гидравлическом прессе модели К0034 с номинальным усилием 250 тс.
Выбор детали «Втулка наружняя», а также рабочего инструмента при ее изготовлении определялся низкой стойкостью рабочей части пуансона без покрытия (нарушение поверхностного слоя рабочей зоны в конической части пуансона), что характеризует недостаточную эффективность его использования при изготовлении детали по чертежу при обеспечении высокой работоспособности инструмента.
При этом, нарушение поверхностного слоя инструмента в процессе эксплуатации в виде рисок, сколов, выкрашивания обуславливают невозможность реновации пуансона (наплавка не обеспечит необходимого уровня твердости и прочности поверхности), при выработке исходного ресурса инструмент отправляется на утилизацию.
Материал детали - сталь 20 ГОСТ 8733-87, материал инструмента (пуансона) - быстрорежущая сталь Р6М5 ГОСТ 2590-88. Пуансон подвергался термообработке - закалка и отпуск, твердость - 62 НЕС. На рисунке 3 представлена деталь «Втулка наружняя» (рис. 3а), а также высадочный пуансон без покрытия - исходный (рис. 3б) и с выработкой ресурса работоспособности (рис. 3в).
а б в
Рис. 3. Фото детали «Втулка наружняя» и пуансона *: а - деталь «Втулка наружняя»; б - исходный высадочный; в - высадочный пуансон с выработкой ресурса (*пуансон - без покрытия)
На рисунке 4 представлено фото пуансонов с износостойким покрытием в различные этапы опытно-промышленных работ.
Рис. 4. Фото пуансона: а - с износостойким покрытием ПК (исходный); б - с износостойким покрытием
(усталостное разрушение)
В рамках экспериментальных испытаний было определено максимальное количество деталей/ударов работы инструмента с покрытием (см. табл. 3). Критерием работоспособности пуансона являлось получение детали согласно чертежу до максимальной выработки рабочей поверхности инструмента (геометрические параметры, а также шероховатость поверхности).
Анализ остаточного качества покрытия проводился за несколько итераций (11) с шагом (3...4) тыс. ударов. Регистрировалось состояние рабочей поверхности пуансона, проводилась оценка рабочей части пуансона (наличие рисок, выкрашивания, изменение цвета покрытия), а также качество детали согласно чертежу, при этом, контролировались выходные параметры детали в соответствии с чертежом.
В таблице 3 представлена визуализация характера износа рабочей конусной части пуансона с покрытием в зависимости от числа изготовленных деталей/проведенных рабочих ударов штампа.
Характер износа пуансона в зависимости от числа деталей/ударов
Таблица 3
Испытания были остановлены в момент усталостного разрушения металла основы пуансона (рис. 5), при этом, остаточное качество износостойкого покрытия рабочей зоны позволяло продолжать производство деталей по чертежу.
Рис. 5. Усталостное разрушение металла основы пуансона пуансона
Анализ качества поверхности пуансона с покрытием позволил установить следующее:
На этапе 1 (Ыуд. = 3100 тыс. ударов) - отсутствие следов нарушения сплошности покрытия (отсутствие рисок, задиров, сколов, выкрашивания); качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 2 (Ыуд. = 6100 тыс. ударов) - появление отдельных локальных рисок, при этом общая поверхность покрытия не нарушена; качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 3 (Ыуд. = 9300 тыс. ударов) - на боковой поверхности пуансона наблюдаются горизонтальные следы в верхней части контактов заготовки детали и инструмента, общая поверхность покрытия не нарушена; качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 4 (Ыуд. = 12374 тыс. ударов) - зафиксировано некоторое увеличение следов контакта (порядка 1015% от общей рабочей поверхности инструмента), локальное изменение цвета покрытия наблюдается в средней части рабочего конуса; качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапах 5-6 (Ыуд. = 16370/20590 тыс. ударов) - характер поверхности практически не изменен, при этом обнаружено увеличение зоны следов контакта (порядка 20-25% от общей рабочей поверхности инструмента); качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 7 (Ыуд. = 24470 тыс. ударов) - установлено снижение дефектности поверхности конуса в виде соразмерных рисок, что следует отнести к контактному выглаживанию, установлено увеличение следов контакта в виде рисок (порядка 30% от общей рабочей поверхности инструмента); качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 8 (Ыуд. = 28800 тыс. ударов) - на контактной поверхности наблюдаются отдельные участки истирания покрытия; качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 9 (Ыуд. = 34500 тыс. ударов) - отмечено локальное повышение нарушения сплошности покрытия (до 50-60% от общей рабочей поверхности инструмента), увеличение площади появления металла-основы пуансона; качество изделий, размерная точность соответствует чертежу.
На этапе 10 (Ыуд. = 41402 тыс. ударов) - отмечено нарушение сплошности покрытия; качество изделий, размерная точность соответствует чертежу;
На этапе 11 (Ыуд. = 45190 тыс. ударов) - установлен эффект усталостного разрушения металла основы инструмента в виде скола; пуансон снят с испытаний.
На основе проведенных опытно-промышленных испытаний можно сделать некоторые выводы по оценке работоспособности холодновысадочного пуансона с износостойким покрытием:
1. Установлен высокий уровень эксплуатационной способности деформирующего инструмента с покрытием ТШ (более 45 тыс. ударов). Сопоставление с референсными значениями, представленными в таблице 1, позволяет сделать вывод что работоспособность пуансона повысилась более чем в 5 раз (45190/6000=7,5);
2. Качество деталей на всех стадиях испытаний (11 этапов) не менялось и находилось в рамках, регламентированных чертежом.
Список литературы
1. Косилова А.Г. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / Ю. А. Абрамов, В. Н. Андреев, Б. И Горбунов, под ред. А. Г. Косиловой. М.: Машиностроение, 1985. Т. 2. 1985. 495 с.
2. Кабалдин Ю. Г. Структура, прочность и износостойкость композиционных инструментальных материалов / Ю.Г. Кабалдин; Рос. акад. наук. Дальневост. отд-ние, Ин-т машиноведения и металлургии, Комс.-на-Амуре гос. техн. ун-т. Владивосток : Дальнаука, 1996. 183 с.
3. Навроцкий Г.А. Холодная объемная штамповка. Справочник / под ред. Г.А. Навроцкого. М.: Машиностроение, 1973. 496с.
4. Мисожников, В. М. Технология холодной высадки металлов / В. М. Мисожников, М. Я. Гринберг. М. : МАШГИЗ, 1951. 308 с.
5. Холодная объемная штамповка стальных деталей в автомобильной промышленности. Руководящий технический материал / М.: НИИТ АВТОПРОМ, 1984. 100 с.
6. Кокорин В.Н., Морозов О.И., Мишов Н.В., Корчакин А.С., Волков К.Д., Соловьев И.Д. Моделирование напряжённо-деформированного состояния при холодной объёмной штамповке детали «втулка наружняя» номенклатуры ООО «УАЗ» // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2023. № 2 (102). С. 44-48.
7. Морозов О.И., Табаков В.П., Кокорин В.Н., Морозов Д.И. Исследование эффективности использования износостойких покрытий на основе нитрида титана с целью повышения стойкости штампового инструмента // Инновационные технологии в машиностроении. Сборник трудов Международной научно-практической заочной конференции. Ульяновск, УлГТУ, 2022. С. 111-118.
8. Табаков В.П., Кокорин В.Н., Корняков Е.Л., Морозов О.И., Алешин А.С., Сагитов Д.И. Повышение стойкости штампового инструмента с износостойким покрытием на формоизменяющих операциях / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 6. С. 352-358.
9. Табаков В.П., Кокорин В.Н., Корняков Е.Л., Морозов О.И., Алешин А.С., Сагитов Д.И. Повышение стойкости штампового инструмента с износостойким покрытием на формоизменяющих операциях // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 6. С. 352-358.
Кокорин Валерий Николаевич, д-р техн. науук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Морозов Олег Игоревич, канд. техн. наук., доцент Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Мишов Николай Викторович, ассистент, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Трещев Андрей Юрьевич, генеральный директор, Россия, Ульяновск, ООО «УАЗ-механосборочное производство»,
Шариков Петр Павлович, заместитель генерального директора, Россия, Ульяновск, ООО «УАЗ-механосборочное производство»,
Тякунов Олег Степанович, начальник бюро МСР, Россия, Ульяновск, ООО «УАЗ-механосборочное производство»
ANALYSIS OF INDUSTRIAL TESTS OF DEFORMING COLD-SHRINK TOOL
V.N. Kokorin, N.V. Mishov, O.I. Morozov, A.Y. Treshchev, P.P. Sharikov, O.S. Tyagunov
An analysis of the durability of a cold-die punch with a wear-resistant TiN coating was carried out within the framework ofpilot tests. The characteristic gradation of the wear resistance of a cold-shrink tool from the number of strokes is shown.
Key words: durability, landing, wear, coatings, punch, cold volumetric stamping, trials.
Kokorin Valery Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Morozov Oleg Igorevich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical
University,
Mishov Nikolai Viktorovich, assistant, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Treshchev Andrey Yurievich, general director, Russia, Ulyanovsk, LLC "UAZ-mechanical assembly production",
Sharikov Peter Pavlovich, deputy general director, Russia, Ulyanovsk, LLC UAZ-Mechanical Assembly Production,
Tyakunov Oleg Stepanovich, head of the MSR Bureau, Russia, Ulyanovsk, UAZ-Mechanical Assembly Production
LLC
УДК 621.774
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-616-617
ШТАМПОВКА ТОНКОСТЕННЫХ ЗАГОТОВОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ИНСТРУМЕНТА ИЗ
ПОЛИЛАКТИДА PLA
А.Д. Куликов, И.А. Бурлаков, П.А. Петров, П.А. Полшков
Приведены результаты изучения возможности применения инструмента из полилактида PLA для штамповки тонкостенных деталей из никелевого сплава ХН60ВТ, дан анализ напряженного состояния, полученного моделированием процесса с применением программы QForm 10.3.0 (далее QForm). С учетом результатов моделирования изготовлен и испытан инструмент из полилактида PLA и даны рекомендации по его применению.
Ключевые слова: Тонкостенные заготовки, сплав ХН60ВТ, штамповка, инструмент из полилактида PLA, FFF/FDM, 3D-печать, программа QForm, испытание инструмента, аддитивные технологии.
Листовая штамповка обладает множеством преимуществ, к основным ее преимуществам можно отнести возможность изготовления деталей с минимальной массой при заданной прочности, точность изготовления, соблюдение формы и размеров, высокое качество уменьшает затраты на последующую обработку. Листовая штамповка позволяет получать сложные по форме тонкостенные детали и массивные прочные детали, которые не могут быть получены иным способом. Разнообразие методов штамповки, применение различных по конструкции штампов и использование соответствующих материалов для их изготовления обеспечивают рентабельное производство как для крупного, та и для мелкосерийного производства [1]. Штампы - точный, сложный и подчас дорогой инструмент, поэтому применение штамповки целесообразно главным образом в крупносерийном и массовом производствах. Требуются большие инвестиции в затраты на пресс-формы, поскольку на рынок выводится все больше и больше продуктов [2]. Однако есть и исключения из данного правила.
По типу применяемости оснастки штамповку листовых материалов можно разделить на виды:
- штамповка в инструментальных штампах [3],
- штамповка эластичными средами [4],
- штамповка взрывом [5],
- пневматическая формовка [6],
- гидроформовка [7],
- штамповка пластиковым инструментом, изготовленным аддитивным методом [8 -11].
Меньше всего информации по применению штамповой оснастки из пластиковых материалов, полученных 3D печатью. Достижения 3D-печати в области обработки металлов давлением не столь широки, но одно из первых положительных применений в производстве штампов было сделано более 20 лет назад [12]. Роль 3D-принтеров также является значимой и перспективной частью проектирования и реализации производств с технологиями обра-
