CC BY
43
Key words hot rolling-recrystallization, dynamic recrystallization, metadynamic re-crystallization, critical deformation, low alloy steel, chemical composition, model, kinetics, steel 09G2, forecast, rolled microstructure - rolled structure - rolled properties, thermome-chanical deformation, hot rolling mills 2000.
Gadalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Shkatov Valery Viktorovich, doctor of technical science, professor, gadalov-vn@yandex.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Technical University,
Skripkina Julia Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, Julia_skr@,mail.ru, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Gvozdev Aleksandr Evgenyevich, doctor of technical science, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, docent, kutepov. sergei@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kalinin Anton Alekseevich, engineer, antony-ak@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9.025
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПОКРЫТИЕМ НА ФОРМОИЗМЕНЯЮЩИХ
ОПЕРАЦИЯХ
В.П. Табаков, В.Н. Кокорин, Е.Л. Корняков, О.И. Морозов, А.С. Алешин,
Д.И. Сагитов
Рассмотрены вопросы повышения стойкости рабочих деталей штампов с помощью нанесения износостойких покрытий методами ионно-плазменного напыления. Представлены результаты производственных испытаний штампового инструмента с износостойким покрытием на основе нитрида титана на формоизменяющих операциях листовой штамповки.
Ключевые слова: штамп, покрытие, износостойкость, нитрид титана, ионно-плазменное напыление.
В машиностроительном производстве в процессах листовой штамповки большое значение имеет износостойкость рабочего инструмента -рабочих поверхностей пуансонов и матриц. В настоящее время существует несколько основных способов повышения стойкости и упрочнения рабочих поверхностей инструментальной оснастки - термическая обработка
352
(закалка с последующим отпуском и т.д.), поверхностное легирование, поверхностное пластическое деформирование, нанесение износостойких покрытий. Анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод, что одним из наиболее перспективных методов повышения стойкости штампового инструмента в настоящий момент является применение износостойких покрытий, осаждаемых физическими методами. В настоящее время методы поверхностной модификации с использованием износостойких покрытий широко реализованы лишь в технологии повышения стойкости режущего инструмента (резцы, сверла и др.) и на данный момент не получили широкого применения для повышения стойкости пуансонов и матриц в процессах обработки металлов давлением, где необходимо производить комплексную модификацию системы «подложка-покрытие» [1].
Рабочий инструмент штамповой оснастки (пуансоны и матрицы) работает в тяжелых условиях наличия: ударных, знакопеременных нагрузок; особенностей сил трения между обрабатываемым материалом и инструментом, контактных сил на рабочей поверхности, что приводит к формированию интенсивных условий напряженно-деформированного состояния. Следует отметить, что в настоящее время в качестве инструментальных материалов, на которые наносится износостойкие покрытия, в основном выступают порошковые твердые сплавы на основе титана и вольфрама, теплостойкие и полутеплостойкие стали, быстрорежущие стали, поскольку процесс нанесения износостойких покрытий предполагает наличие ограничений по температуре обработки. Данные материалы обладают повышенными физико-механическими характеристиками, а также себестоимостью и предполагают большие затраты на изготовление и обслуживание готового инструмента.
Целью настоящих исследований являлось расширение технологических возможностей процессов нанесения износостойких покрытий путем увеличения номенклатуры материалов для изготовления штампового инструмента, используемого для последующего нанесения износостойких покрытий. Из справочных материалов [2-5] известно, что инструментальные стали, которые в своем составе содержат хрома более 1 %, при нагреве до температур 300-400 °С подвергаются процессу поверхностного упрочнения вследствие выделения в наружных слоях материала карбидов хрома в виде тонких прочных кристаллитов. Одновременно с этим сердцевина материала приобретает повышенные пластические и упругие свойства.
В Ульяновском государственном техническом университете (Ул-ГТУ) совместно с АО «Ульяновский патронный завод» в настоящий момент проводятся исследования возможности промышленного внедрения технологии повышения стойкости штампового инструмента с использованием износостойких покрытий на основе нитрида титана методами ионно-плазменного напыления с применением катодно-ионной бомбардировки поверхности (КИБ) [2-5].
Проведены производственные испытания штампового инструмента для формоизменяющих операций (вытяжка с утонением и обжим дульца) с покрытием на основе нитрида титана при изготовлении деталей типа «Гильза» номенклатуры АО «Ульяновский патронный завод».
353
Сотрудниками кафедр «Материаловедение и обработка металлов давлением» и «Инновационные технологии в машиностроении» УлГТУ совместно с предприятием АО «Ульяновский патронный завод» с целью определения эффективности использования износостойких покрытий для увеличения ресурса штампового инструмента из углеродистых инструментальных сталей (сталь марки У10А) на формоизменяющих операциях (вытяжка с утонением и обжим дульца) была проведена серия опытно-промышленных испытаний штампового инструмента с износостойким покрытием ПК, нанесенным методами ионно-плазменного напыления и КИБ. Испытания проводились на роторных линиях для изготовления гильз патронов на предприятии АО «Ульяновский патронный завод».
Рабочие камеры установки для нанесения покрытий модели «Булат-6» лаборатории износостойких покрытий машиностроительного факультета УлГТУ накладывают ограничения по геометрическим параметрам обрабатываемого инструмента. Соответственно этим требованиям для проведения производственных испытаний из номенклатуры инструментальной оснастки АО «Ульяновский патронный завод» были отобраны следующие комплекты рабочего штампового инструмента (рис. 1):
1) Твердосплавные матрицы (твердый сплав марки ВК-8) и пуансоны из инструментальной стали (сталь марки У10А) для вытяжки с утонением (2-й переход) на диаметр 10 мм;
2) Калибровочные втулки из быстрорежущей стали (сталь марки Р6М5) для операции обжим дульца на диаметр 6 мм.
Испытания штампового инструмента проводились в несколько последовательных этапов, заключающихся в следующем:
- был произведен отбор и предварительная подготовка инструмента;
- рабочие поверхности инструмента были подвергнуты шлифованию и полировки до 8 класса точности;
- инструмент перед нанесением износостойкого покрытия подвергался предварительному нагреву и выдержке в вакуумной камере установки при температуре 350 °С для повышения адгезионной способности поверхностного слоя и равномерного прогрева материала.
- на три комплекта инструмента соответственно для каждой выбранной операции (пуансон+матрица - для вытяжки с утонением, калибровочная втулка - для операции обжим дульца) методом ионно-плазменного напыления и КИБ на установке «Булат-6» с обеспечением вращения обрабатываемого инструмента в рабочей камере было нанесено износостойкое покрытие нитрид титана (использованы следующие режимы нанесения покрытий - нагрев до 350-450 °С, толщина покрытия по сечению - 3-5 мкм);
- комплекты обработанного инструмента с покрытием были установлены попарно вместе со стандартными необработанными комплектами в роторные линии для тестового анализа;
354
- в ходе испытаний фиксировался выход инструмента из строя по счетчику произведенных операций (смыкание инструмента для операций вытяжки с утонением и калибровки соответственно) и причина выхода инструмента из строя (дефекты на поверхности изготавливаемых изделий, заклинивание инструмента и т.д.).
После завершения испытаний бал произведен анализ полученных результатов, представленных в таблице.
Штамповый инструмент с покрытием: а - матрицы для вытяжки; б - пуансоны для вытяжки; в - втулки
для операции обжим дульца
В ходе испытаний были получены следующие результаты, представленные в таблице.
Результаты производственных испытаний штампового инструмента
Операция № п\п блоков Материал инструмента Покрытие Норма выработки, тыс. ударов Общая выработка, тыс. ударов Причины замены инструмента Примечание
1 ПК 249 Вследствие
Вытяжка (2 пере- 2 Пуансон - инструментальная сталь У10А; Матрицы (верхняя и нижняя) -твердый сплав б\п 50-100 534 Заклинивание инструмента* дефекта на предыдущем переходе вытяжки
ход) 3 ПК 699 Дефекты на -
4 б\п 674 поверхности -
5 ПК 986 деталей (цара- -
6 б\п 709 пины, риски) -
1 82 -
2 ПК 82 -
3 Втулка - быстро- 111 Дефекты на -
Обжим 4 режущая сталь 50 145 поверхности -
дульца 5 Р6М5 (замени- 180 деталей (цара- -
6 тель - У12А) б\п 196 пины, риски) -
7 213 -
8 117 -
Анализ результатов, представленных в таблице, позволил сделать вывод, что для операции «обжим дульца» как обработанный, так и не обработанный инструмент вырабатывает наработку, превышающую установленную норму. Это явление можно объяснить тем, что обе группы инструмента подвергались дополнительной обработке поверхности - шлифованию до 8 класса точности, что повысило точность поверхности, а, следова-
355
тельно, и его производственный ресурс. Однако для инструмента с покрытием повышение стойкости и ресурса инструмента по сравнению с необработанным на данной операции не наблюдается. Этот эффект может быть объяснен следующим образом: на данной операции (обжим дульца) реализуется пластическая деформация с высокими значениями сдвиговых напряжений в очаге деформации, что приводит к формированию высоких значений сил контактного трения. В результате модифицированный инструмент не обладает достаточным ресурсом для значительного увеличения износостойкости поверхностного слоя, поскольку при наличии высоких значений сил контактного трения и напряжений, превышающих значения стягивающих напряжений внутри сформированного покрытия и возникает риск сдвига поверхностных слоев относительно друг друга, а, следовательно, разрушения износостойкого покрытия и сформированной тонкой упрочненной структуры [1].
Для операции же вытяжки с утонением наблюдаются следующие результаты:
- 1-й и 2-й блок вышли из строя по независящим от наличия покрытий условиям (из-за дефекта заготовки на 1 переходе вытяжки произошло заклинивание инструмента), при этом он показал стойкость, превышающую норму выработки;
- 3-й (модифицированный) и 4-й (без покрытия) блоки продемонстрировали приблизительно равную стойкость, превышающую в 5-6 раз норму выработки, предусматриваемую нормативными документами, при этом модифицированный пуансон проработал дольше, чем пуансон без покрытия;
- модифицированный пуансон на 5-м блоке показал наилучшие результаты и проработал количество циклов, превышающее на 29% количество циклов, которое проработал самый стойкий неупрочненный инструмент (6-й блок).
Также было установлено, что на операции вытяжки с утонением пуансоны, изготовленные из углеродистой инструментальной стали марки У10А и подвергнутые нанесению износостойкого покрытия в вакуумной камере с температурой 350...450 °С, в процессе обработки не подверглись отпуску и потере технологической устойчивости, а наоборот, демонстрируют повышение износостойкости и адгезионной способности. Данный эффект в полной мере объясняется процессом упрочнения и образования карбидного слоя, описанным выше.
На основании полученных в ходе экспериментальных исследований результатов был произведен анализ и подбор рациональных режимов обработки поверхностного слоя инструмента под наносимое износостойкое покрытие. Было выявлено следующее:
- геометрические параметры инструмента, пригодного для модификации, ограничиваются не только габаритными размерами рабочих камер установок для нанесения покрытий, но и возможностями инструмента сохранять технологическую устойчивость в процессе обработки - диаметры и линейные размеры в расчетных сечениях должны быть не менее 8.10
356
мм, соотношение длины и диаметра (ширины) обрабатываемой детали должны не превышать соотношения 1 к 12-ти, в обратном случае в результате неравномерного прогрева в поверхностном слое происходят процессы разупрочнения и разрушения благоприятной структуры либо пережег материала с образование хрупких концентраторов напряжений;
- температурный интервал нанесения покрытий должен быть ограничен температурами, не превышающими 400 °С, во избежание процессов термического разупрочнения в поверхностном слое инструмента и снижения адгезионной способности системы «подложка-покрытие»;
- операции листовой и объемной штамповки (обжим, чистовые операции с высокими значениями сжимающих усилий), подразумевающие «жесткие» схемы напряженно-деформированного состояния в рабочей зоне деформации и высокие (превышающие предел упругости износостойкого покрытия) значения сил контактного трения, не предполагают возможность применения данной технологии, поскольку происходящие при данных процессах взаимодействия полностью нивелируют результаты упрочнения поверхностного слоя инструмента;
По результатам проведенных исследований был сделаны следующие выводы:
- нанесение износостойких покрытий методами ионно-плазменного напыления и КИБ при условии грамотного подбора рациональных режимов обработки и материалов обрабатываемого инструмента может повысить ресурс рабочих деталей штамповой инструментальной оснастки на 25.30%;
- имеет смысл рассматривать в качестве материалов для изготовления штампового инструмента более широкий диапазон инструментальных сталей, а именно углеродистые инструментальные стали типа У 10-У 13, при условии подбора рациональных режимов обработки.
Список литературы
1. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.
2. Баннов П.Г. Процессы переработки нефти. М.: ЦНИИТЭнефте-хим, 2000. 224 с.
3. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую ки-нетку: учебное пособие для студентов хим. спец. ун-тов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. Школа, 1983. 400 с.
4. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П., Федоров Е.П. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив: Справочник. М.: Химия, 1985. 240 с.
5. Ерохин М.Н., Чупятов Н.Н. Повышение износостойкости прецизионных деталей гидравлических систем сельскохозяйственной техники // Сельскохозяйственные машины и технологии. М.: Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ. 2014. №3. С. 7-10.
357
Табаков Владимир Петрович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, vpt1947@,mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Кокорин Валерий Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, vnkokorin@mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Корняков Евгений Львович, технический директор, olmorozov-rabota@yandex.ru, Россия, Ульяновск, АО «Ульяновский патронный завод»
Морозов Олег Игоревич, старший преподаватель, аспирант, olmorozov-rabota@yandex.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Алешин Алексей Сергеевич, аспирант, olmorozov-rabota@yandex. ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский государственный технический университет,
Сагитов Дамир Ильдарович, канд. техн. наук, доцент, заместитель декана, sagdam@,mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б. П. Бугаева
IMPROVEMENT OF THE STABILITY OF A STAMPING TOOL WITH WEAR-RESISTANT
COA TING FOR FORMING OPERA TIONS
V.P. Tabakov, V.N. Kokorin, E.L. Kornyakov, O.I. Morozov, A.S. Aleshin, D.I. Sagitov
The issues of increasing the durability of the working parts of dies by applying wear-resistant coatings by ion-plasma spraying methods are considered. The results of production tests of a stamping tool with a wear-resistant coating based on titanium nitride in the form-changing operations of sheet stamping are presented.
Key words: stamp, coating, wear resistance, titanium nitride, ion-plasma spraying.
Tabakov Vladimir Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, vpt1947@,mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Kokorin Valery Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, vnkokorin@,mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Kornyakov Evgeny Lvovich, technical director, olmorozov-rabotaayandex.ru, Ulyanovsk, JSC «Ulyanovsk Cartridge Plant»
Morozov Oleg Igorevich, senior lecturer, postgraduate, olmorozov-rabota@yandex. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Aleshin Alexey Sergeevich, postgraduate, olmorozov-rabota@yandex. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk State Technical University,
Sagitov Damir Ildarovich, candidate of technical sciences, associate professor, deputy dean, sagdam@,mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk Institute of Civil Aviation named after the Chief Marshal of Aviation B.P. Bugaeva
