CC BY
3
УДК 621.7-98
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ ПОЛОСТЕЙ ШТАМПОВ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ВЫСАДКИ ЗАГОТОВОК ШАРОВ НА ИХ
СТОЙКОСТЬ
Хамин Олег Николаевич, к.т.н., доцент
(e-mail: out87@mail.ru) Краснов Илья Александрович, студент (e-mail: ilya.krasnov.2019@gmail.com) Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В работе исследовано влияние метода изготовления формообразующих полостей штампов для холодной высадки заготовок шаров на их стойкость при эксплуатации. Для исследования привлекались метод приближенного моделирования процессов обработки давлением и лабораторный метод прогнозной оценки работоспособности холодновысадочных штампов.
Ключевые слова: холодная высадка, заготовки шаров, формообразующие полости штампов, моделирование, прогнозная оценка, стойкость штампов.
Холодная высадка шаров относится к наиболее тяжелонагруженным операциям холодной объемной штамповки, при которой высадочный инструмент (монолитный или сборный) работает в условиях сложнонапря-женного состояния и высоких удельных усилий. Гравюра штампа испытывает высокоинтенсивное температурно-силовое воздействие, численные параметры которого приближаются или даже превосходят показатели прочности инструментальных сталей, а также ресурс по теплостойкости [1]. Соответственно повышение стойкости холодновысадочных штампов является актуальной задачей.
Задача повышения стойкости штампов решается при совместной проработке металлургических, технологических и конструктивных факторов. Вместе с тем при закреплении материала формообразующих деталей штампа (ФОДШ) и его конструкции на первый план выходит технология их изготовления. С позиций технологического маршрута изготовления ФОДШ возможны следующие технологические варианты:
С ^ ООПФ ^ ТО ^ ОРО ^ Д, (1)
С ^ ОЗП ^ ТОЗ ^ ООПФ ^ ТО ^ ОРО ^ Д, (2)
С ^ ОЗП ^ ТОЗ ^ ОД ^ ТО ^ ОРО ^ Д. (3)
В структурные зависимости (1)-(3) введены следующие обозначения:[2]
С - сырье, материалы (литые, деформированные, гранулированные и тп);
Д - деталь-изделие;
ОЗП - операции заготовительного производства (литье, обработка давлением, сварка);
ТОЗ - операции термической обработки заготовок;
ООПФ - операции обработочного производства формообразующие (обработка резанием; электро-физические и электро-химические методы обработки и т.п.);
ТО - операции термической обработки;
ОРО - операции размерной обработки;
ОД - операции обработки давлением.
В технологическом маршруте согласно схеме (1) исходные заготовки в виде горячекатанного проката подвергаются операциям резания для получения заготовки формообразующей полости. Затем проводят ее термическую обработку для получения необходимых механических свойств материала полости, после чего проводят размерную обработку для обеспечения заданной точности и шероховатости поверхности полости. Существенным недостатком схемы (1) является то обстоятельство, что исходные заготовки под механическую обработку обладают отрицательной металлургической наследственностью по характеристикам макро- и микроструктуры, которая может быть усилена последующими операциями технологического маршрута [3,4].
На первом этапе технологического маршрута согласно схеме (2) исходные заготовки в виде горячекатанного проката подвергаются операциям обработки давлением с целью получения однородного химического и структурно-фазового состава по всему объему материала. Схемы пластического деформирования исходных заготовок определяются размерами и конфигурацией готового изделия в совокупности с его материалом. Эти операции способны существенно улучшить металлургическую наследственность исходных заготовок. После пластического деформирования заготовка подвергается различным видам отжигов для перевода заготовки в равновесное состояние, обеспечивающее наиболее благоприятную структуру и свойства под формообразующие операции обработочного производства, и в первую очередь обработку резанием. Последующая обработка аналогична схеме (1).
В технологическом маршруте согласно схеме (3) отсутствуют формообразующие операции обработочного производства (ООПФ). Эти операции заменены операциями обработки металлов давлением. Формообразующие полости штампов формируются в условиях различных схем объемной штамповки выдавливанием. Эта схема технологического маршрута представляется наиболее благоприятной для повышения стойкости ФОДШ по сравнению со схемами (1) и (2). Пластическая деформация с объемными схемами напряженного состояния, преимущественно с сжимающими напряжениями, способна формировать новый вид положительной технологической наследственности по характеристикам макро-и микроструктуры [4].
С целью проверки этого положения в настоящей работе исследованы два варианта технологического маршрута изготовления формообразующей полости штампов для холодной высадки заготовок шаров. Анализировались технологические маршруты согласно схем (2) и (3). Исследования выполнены применительно к холодной высадке заготовок шаров шарикоподшипников диаметром % ". На рис. 1 представлена конструкция матрицы для холодной высадки заготовки шара и отштампованная заготовка шара.
а) б)
Рис.1- Матрица для холодной высадки заготовок шаров (а) и заготовка шара после штамповки (б)
Исследования выполнены в лабораторных условиях с привлечением лабораторного метода прогнозной оценки работоспособности холодновыса-дочных штампов и метода приближенного моделирования процессов обработки давлением.
Для оценки сравнительной работоспособности холодновысадочных штампов использована методика испытаний материалов на «циклическую» твердость. Сущность методики заключается в измерении диаметра отпечатка, полученного в результате воздействия алмазного индентора на исследуемый материал после различного числа циклов нагружения при температурном воздействии на материал [5]. Для реализации циклического нагружения использована испытательная установка, собранная на базе твердомера ТК-2М со стандартным алмазным индентором с подогревом исследуемого материала. На каждом образце цилиндрической формы фиксировались отпечатки после 1 и 60 циклов нагружения. Максимальное число циклов нагружения было выбрано на основе предварительных исследований, которые показали, что после 60 циклов нагружения диаметр
отпечатка для инструментальных сталей практически не изменялся. Для поддержания постоянной температуры используется малогабаритная электропечь. Измерение температуры образцов производится с помощью приваренной разобщенной термопары.
В качестве оценочного критерия «циклической твердости» используется критерий вида
У=(ёбо - йУ ёь (4)
где ё60 - диаметр отпечатка после 60 циклов нагружения, мкм; ^ - диаметр отпечатка после первого цикла нагружения, мкм.
Критерий У является безразмерным и оценивает степень разупрочнения материалов при циклическом нагружении по отношению к исходному состоянию. Согласно этому критерию, предпочтение следует отдавать вариантам с минимальной величиной У. В работе [5] показано, что оценочный критерий (4), полученный на основе испытаний материалов на «циклическую» твердость, обеспечивает не только качественную, но и количественную корреляцию с результатами промышленных испытаний стойкости хо-лодновысадочного инструмента.
Для реализации метода «циклической твердости» должны быть использованы цилиндрические образцы, форма и размеры которых должны соответствовать условиям проведения испытаний по определению твердости по Роквеллу. Соответственно лабораторные образцы, прошедшие обработку по схемам (2) и (3), также должны иметь цилиндрическую форму.
Для выполнения этого требования и реализации технологического маршрута обработки лабораторных образцов согласно схеме (3) в настоящей работе использован метод приближенного моделирования процессов обработки давлением. В работе [6] получено критериальное уравнение для процессов штамповки выдавливанием полых изделий. Показано, для натурного объекта и модели, изготовленных из одинакового материала при условии равенства мгновенных среднемассовых температур деформации и целочисленному совпадению показателей напряженного и деформированного состояния, выполнение следующих критериев подобия
2/3
Бр/Нпл, УдШпл, (Бр - рабочий ход деформирующего инстру-
мента;
Н пл - характерный размер зоны пластической деформации в заготовке; Уд - скорость деформирования; 1 - длительность этапа (стадии) пластической деформации заготовки; - поверхность контакта заготовки с рабочими элементами деформирующего инструмента; V - объем исходной заготовки) обеспечит их механическое подобие. А как известно, определяющим условием механического подобия систем является их идентичность по напряженно-деформированному состоянию [7].
Таким образом, путем определения одновременного численного совпадения указанных выше критериев подобия для натурного объекта и модели в одинаковые моменты времени можно будет подобрать условия деформи-
рования модельного образца цилиндрической формы, которые в лабораторных условиях моделирует условия деформации натурного объекта.
В настоящей работе предусмотрен вариант получения формообразующей полости вставки матрицы по рис. 1 методом холодного закрытого обратного выдавливания в заготовке диаметром 25 мм и высотой 20 мм со скоростью деформирования 1, 67 мм/с. В качестве инструментального материала принята «базовая» сталь ШХ-15, которая преимущественно на практике используется для ФОДШ холодновысадочных штампов.
Для установления схемы деформирования лабораторного образца цилиндрической формы, моделирующей напряженно-деформированное состояние при выдавливании формообразующей полости, использован способ осадки по авторскому свидетельству N 892268. Указанный способ заключается в том, что цилиндрический образец помещают в контейнер с цилиндрическими твердосплавными вставками, образующими зазоры переменной ширины между собой, нагружают образец сжимающими усилиями по его торцам с помощью цилиндрических или фигурных пуансонов, при этом поперечное сечение фигурных пуансонов соответствует поперечному сечению центральной части полости контейнера до минимального зазора между вставками. На рис. 2 представлена схема осадки образцов по А.с. N 892268.
6
а
б
Рис. 2. Схема осадки образцов по А.с. N 892268 (а) и фигурный пуансон
(вид сверху) (б):
1 - верхний пуансон (цилиндрический или фигурный); 2 - контейнер; 3 - цилиндрический образец; 4 - нижний пуансон (цилиндрический или фигурный) ; 5 - направляющая; 6 - твердосплавные цилиндрические вставки
Бр/Н
пл?
УдШ,
пл
Численный расчет и сравнение критериев подобия
2/3
Бк/У для случая выдавливания формообразующей полости и осадки модельных образцов показал, что при осадке модельного образца со скоростью деформирования 1,4 мм/с на 5,4 мм фигурными пуансонами в контейнере с шестью цилиндрическими вставками все указанные критерии подобия одновременно выполняются (имеют одинаковые численные значения для случая выдавливания полости и осадки модельного образца с
учетом их доверительных интервалов). Таким образом, указанные условия деформирования модельных образцов позволяют получить образцы, которые после осадки моделируют схему напряженно-деформированного состояния формообразующей полости при ее выдавливании.
Исходя из выше изложенного, в качестве модельных образцов для исследования технологических маршрутов получения формообразующей полости приняты цилиндрические образцы диаметром 10 мм и высотой 15 мм из стали ШХ-15, полученные обработкой резанием из прутков диаметром 50 мм, прошедших предварительную обработку давлением (осадка с перековкой с круга на круг) с последующим отжигом по стандартным режимам. Затем согласно схеме 2 образцы термически обработали на твердость 60 ИЯС с последующим шлифованием торцев до Яа= 0,32 мкм.
Для реализации в лабораторных условиях схемы 3 модельные образцы после отжига подвергались осадке в устройстве согласно схеме по рис. 2 в контейнере с шестью цилиндрическими вставками фигурными пуансонами со скоростью деформирования 1,4 мм/с на 5,4 мм. После осадки образцы термически обработали на твердость 60 ИЯС с последующим шлифованием торцев до Яа= 0,32 мкм.
Затем модельные образцы подвергали испытаниям на «циклическую» твердость. Образцы в процессе испытаний находились в одинаковых температурных условиях (температура нагрева составляла 220 0С, что соответствовало средней температуре разогрева гравюры холодновысадочных штампов для штамповки заготовок шаров).
Измерение послециклического диаметра отпечатка производили на микроскопе ММУ-3 при увеличении Х200. Диаметр каждого отпечатка измерялся в трех направлениях и фиксировалось его среднее значение. Для каждого варианта обработки модельных образцов использовано по 10 образцов.
С целью сравнения оценочных критериев У для рассматриваемых технологических вариантов по схемам 2 и 3, результаты измерения отпечатков подвергались обработке по зависимости (4).
Среднее значение критерия У для варианта по схеме 2 составило 0,041, а для варианта по схеме 3 - 0,02. Критерий У для варианта согласно технологического маршрута по схеме 3 в 2,05 раза меньше, чем для традиционного технологического маршрута согласно схемы 2. Соответственно вариант согласно схемы 3 изготовления ФОДШ приведет к повышению стойкости последних в 2 раза.
Список литературы
1. Воронцов А. Л. Теория и расчеты процессов обработки металлов давлением (в 2-х томах): Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 848 с.
2. Хамин О.Н. Классификация технологических маршрутов изготовления разно-функциональных изделий из различных материалов: учеб. пособие. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2022. - 56 с.
3. Никитин В.И. Наследственность в литых сплавах. - Самара, СамГТУ, 1995.- 248 с.
4. Дальский, А.М. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве. - М.: Машиностроение, 2000. - 363 с.
5. Хамин О.Н., Иризбаева Е.В. Выбор инструментальных сталей для холодной высадки заготовок шаров шарикоподшипников // Современные материалы, техника и технологии (научно-практический журнал). - 2021. - N 6 (39). - С. 51-58.
6. Хамин О.Н. Моделирование силовых параметров нестационарных процессов обработки давлением // Современные материалы, техника и технологии (научно-практический журнал). - 2019. - N 5 (26). - С. 202-217.
7. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.
Khamin Oleg Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor Samara State
Technical University, Samara, Russian Federation (E-mail: out87@mail.ru)
Krasnov Ilya Aleksandrovich , student Samara State Technical University, Samara, Russian
Federation (E-mail: ilya.krasnov.2019@gmail.com)
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE METHOD OF
MANUFACTURE FORMING CAVITIES OF DIES FOR COLD LANDING OF
BLANK BALLS ON THEIR DURABILITY
Abstract. The work investigates the influence of the method of manufacturing forming cavities of stamps for cold planting of balls for their resistance during operation. For the study, the method of approximate modeling ofpressure processing processes and the laboratory method of the predicted assessment of the operability of cold -high stamps were involved. Keywords: cold landing, balls of balls, forming stamp cavities, modeling, predictive assessment, stability resistance.
