Термомеханика упрочнения и разрушения штампов объемной штамповки

Несмотря на развитие процессов выдавливания и точного литья, горячая штамповка занимает в машиностроении одно из ведущих мест. Ежегодный прирост выпуска поковок составляет 15—20%. Причем производство кузнечно-прессовых машин по темпу роста опережает производство металлорежущих станков. Не менее характерны и качественные изменения в производстве поковок, обусловленные непрерывным усовершенствованием технологических процессов. Развитие технологических процессов происходит в основном по следующим направлениям.

1.   Комплексная механизация с частичной автоматизацией ряда технологических операций. Для современного производства автоматизация наиболее успешно решается в условиях массового выпуска поковок. Во многих странах уже созданы автоматические машины для штамповки шатунов, клапанов, зубчатых колес и других деталей. Автоматизация возможна даже   в серийном производстве при условии группирования поковок по общности формы и размеров. В этих случаях универсальные кривошипные машины оснащают средствами автоматизации. Правда, автоматизация процессов штамповки на краивошипных машинах с жестким ходом ползуна затруднена тем, что исключается возможность поднастройки штампов в процессе их функционирования. Поэтому при случайных изменениях, например   температурных условий деформирования металла, возникает опасность поломки штампа или недоштамповки поковок. Кроме того, имеются трудности, связанные с частой переналадкой автоматики.

Внедрение в производство автоматов сдерживается из-за недостаточной стойкости штампов. Автоматизация дает ощутимый экономический эффект только тогда, когда ее осуществляют на базе высокопроизводительного оборудования. Известно также, что высокий темп работы штампов приводит к быстрому их разрушению. Учитывая относительно высокую трудоемкость наладки автомата, конечный результат автоматизации может оказаться низким, если штампы имеют неудовлетворительную стойкость.

2.   Интенсификация процессов горячей   штамповки.    Интенсификация проявляется главным образом в сокращении цикла формообразования поковки   путем   увеличения   быстроходности

штамповочных машин, использования скоростных манипуляторов и применения поворотных столов. Получает развитие продольная периодическая прокатка, обеспечивающая получение цепочки готовых деталей, связанных между собой заусенцем. Распространяется штамповка предварительно спрофилированных заготовок. Фасонирование заготовок достигается вальцовкой, литьем и спеканием порошков.

Открытым пока остается вопрос о перспективности развития процессов штамповки жидкой стали. Конечно, штамповка жидкой стали является эффективным способом интенсификации процессов формообразования поковок. Однако попытки внедрить процесс в производство не увенчались успехом. Объясняется это тем, что механические свойства поковок понижаются, а процессы выплавки, дозировки и подачи расплава в штамп являются сложными. Стойкость штампов низкая. Привлекает внимание опыт штамповки с предварительной формовкой заготовок, осуществляемой путем заливки расплавленного металла в водоохлаждаемую медную форму. Поковки отличаются высоким качеством поверхности.

В последнее время получают развитие исследования, направленные на разработку процессов обработки давлением металлов в сверхпластичном состоянии. Поведение металла в состоянии сверхпластичности идентично поведению горячего стекла при его формовке. Сверхпластичность открывает перспективу неограниченных технологических возможностей формообразования деталей. Однако и здесь имеются трудности, основная из которых заключается в необходимости совмещения во времени рабочего хода машины с процессом фазового превращения сплава.

3. штамповка поковок с повышенной готовностью. Основными способами повышения готовности выпускаемых поковок являются изотермическая штамповка, скоростная штамповка, штамповка в разъемных матрицах и в штампах для безоблойной штамповки. Эти способы обеспечивают получение поковок с узкими и высокими ребрами без уклонов и сокращают число переходов. Кроме того, изотермическая штамповка позволяет применять стеклянные смазки, которые при обычной штамповке малопригодны.

Выпуск поковок с повышенной готовностью является самым крупным резервом повышения производительности труда в машиностроении. Поставка таких поковок сокращает трудоемкость механической обработки и уменьшает потери металла в стружку. При обработке точных поковок резанием устраняются перегрузка и вибрация инструмента, и тем самым обеспечиваются условия для нормальной работы автоматических линий механической обработки.

Основными причинами, препятствующими развитию безоблойной штамповки и штамповки выдавливанием в разъемных матрицах, являются образование зажимов и утяжин, недостаточная точность штампуемых заготовок по массе и проблематичность создания экономичной и достаточно работоспособной штамповой оснастки. Кроме того, штамповочные машины должны обладать повышенной жесткостью, а процесс штамповки на всех его этапах должен быть строго регламентирован по термическим и механическим показателям.

С целью повышения чистоты поковок в штамповочном производстве совершенствуют способы безокислительного нагрева. Внедряют в производство нагрев в контролируемой атмосфере с нанесением смазки на заготовку до подачи ее в штамп. Применяют предварительный нагрев заготовок до температуры окалинообразования (600° С) с последующим индукционным нагревом до температуры штамповки. Развивается также полугорячая штамповка, обеспечивающая высокую точность, чистоту поковок и уменьшение потерь на угар. Однако применение полугорячей штамповки ограничено из-за низкой технологической пластичности штампуемых сталей и неудовлетворительной стойкости штампов.

4. Расширение сферы обработки труднодеформируемых и малопластичных материалов. Это направление развития горячей штамповки обусловлено запросами новой техники. Режимы пластической обработки труднодеформируемых и малопластичных материалов во многом отличаются от режимов штамповки конструкционных сталей. Для придания материалам необходимого комплекса свойств и структуры деформацию, как правило, осуществляют в узкой области температур i поле высокого гидростатического давления. Для некотлрых материалов при нагреве требуется защита от воздействия окружающей среды. Вследствие склонности многих материалов к упрочнению, а также по другим причинам штамповку выполняют с заниженными степенями деформации в штампах, форма и размеры которых не отвечают сложившимся представлениям о способах горячей штамповки металлов. Причем, интенсивность локального разрушения штампов, изготовленных из штамповых сталей общего назначения, очень высокая.

Таким образом, проблема штамп — металл приобретает народнохозяйственное значение. В решении этой проблемы важное значение имеет теория стойкости и надежности штампов, которая должна не только объяснять процессы разрушения и упрочнения штампов, но и прогнозировать новые технические решения.

2. РАЗРУШЕНИЕ штампов И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СТОЙКОСТИ

При горячей штамповке металла происходит интенсивное разрушение штампов. Если Стойкость штампов выражать суммарным временем активного контакта с деформируемым металлом, то оно исчисляется лишь минутами. В этом отношении штампы

не имеют равных среди других видов металлообрабатывающего инструмента.

Выясним наиболее существенные факторы разрушения штампов, положив в основу анализа материалы производственного опыта. Такое исследование следует проводить по определенной системе, чтобы выявить ПУТИ повышения стойкости штампов. Однако разработать эту систему очень трудно, поскольку между отдельными процессами разрушения имеются тесные связи, исключающие их разграничение в реальных условиях. Поэтому при изучении вопроса будем опираться на систему несовершенную (рис. 1), но указывающую, однако, доминирующие факторы разрушения гравюры штампа и их важнейшие связи. В соответствии с принятой системой выделяются следующие разновидности разрушения гравюры штампов: необратимая деформация формообразующих элементов; износ и образование трещин.

Согласно данным распределения штампов по признаку разрушения (табл. 1), Стойкость молотовых штампов можно увеличить главным образом путем повышения конструктивной прочности. Для штампов ГКМ требуются технические решения, направленные на то, чтобы затормозить процесс образования разгарных трещин. Прессовые штампы нуждаются в защите одновременно по всем трем разновидностям разрушения.

Склонность штампов к разрушению зависит от состава и режима упрочнения штампового материала. Это видно из кривых изменения стойкости штампов в зависимости от их начальной

КОНТАКТНОЕ ТРЕНИЕ И износ ГРАВЮРЫ ШТАМПА

Трение и износ взаимосвязаны. Однако ТРЕНИЕ еще не предопределяет интенсивность износа. Известно, например, что при абразивном износе цинка в температурном интервале 20—380°С при одном и том же надавливающем грузе коэффициент трения остается почти постоянным, а износ изменяется в несколько десятков раз.

Условия контактного трения в процессах горячей штамповки существенно отличаются от трения в кинематических парах машин. Давление, температура, скорость скольжения, физико-химические свойства межконтактной прослойки в процессе штамповки непрерывно, а иногда стремительно изменяются во времени. При этом на различных участках гравюры штампа ТРЕНИЕ и износ протекают с различной степенью.

Проблема трения и истирания является труднейшей, но с каждым днем она привлекает все большее внимание экспериментаторов и теоретиков. Некоторые исследователи полагают, что основной путь ее решения заключается в том, чтобы исследовать процессы трения и износа в таком виде, когда из всех влияющих факторов изменяется только один, а остальные остаются неизмененными. Такая постановка вопроса слишком прямолинейна.

В явлениях трения и износа нельзя установить перегородки, разграничивающие действие переменных различной природы. Подобная задача относится к классу плохо организованных систем, которые не поддаются решению методами, основанными на однофакторном эксперименте. Изучение плохо организованных систем — это задача физики, многомерной математической статистики и кибернетики.

Естественно, что развитие исследований в таком плане является новым делом, да и методология изучения плохо организованных систем только разрабатывается [91]. Поэтому явления трения и износа контактов изучают еще в традиционном стиле, хотя некоторые исследователи делают попытки построить количественные теории.