Стойкость инструмента при холодной штамповке нормалей и метизов

Под стойкостью инструмента понимается количество изготовленных деталей до поломки или выкрашивания кромок инструмента (прочность), или износ инструмента, т. е. изменение размеров до пределов допуска на этот размер (износостойкость). Оба параметра зависят от многих факторов: термообработка, смазка, геометрические параметры формоизменения и др. При этом самым обобщающим показателем является соотношение прочностей инструмента и штампуемой детали. Обозначим этот показатель р = а_с/а₅, где а_с - прочность на сжатие материала термообработанного инструмента; а_х - прочность на сжатие штампуемого материала, т. е. начало пластического участка диаграммы сжатия. Не менее важным фактором стойкости инструмента являются геометрические соотношения при формообразовании деталей. Например, соотношение диаметров пуансона и контейнера с заготовкой при стесненном обратном выдавливании, глубина внедрения пуансона в полупространство и др.

Введем еще один параметр – удельная нагрузка на инструмент р = P/F, где Р - сила, действующая на пуансон; F - площадь пуансона. Наши рассуждения больше касаются таких операций, как различные виды выдавливания, редуцирование, осадка, чеканка, внедрение пуансона в полупространство. Хотя они условно применимы и для других видов штамповки.

Можно рассматривать еще один параметр – коэффициент запаса прочности инструмента к = ас/ р = ос • F/P, где ос - прочность инструмента на сжатие. Примером технологической операции с наибольшим запасом по прочности инструмента может служить обратное выдавливание свинцовой рубашки как одного из трех элементов пули стрелкового оружия в закрытой матрице на роторной линии. В боковой стенке матрицы про- сверлено небольшое отверстие, через которое выдавливается излишний объем свинца в виде тонкой проволоки. А сама деталь при этом имеет постоянный объем и вес, что важно для точной стрельбы. Благодаря значительной разнице в прочности инструмента и свинца показатель р значителен и составляетр = ас/а5 ~ 2000/17 = 117. Это и позволяет осуществить такой процесс выдавливания через маленькое отверстие без поломки инструмента. Для штамповки из стали и даже из алюминия такой процесс неприемлем, так как удельные нагрузки на инструмент будут превышать предел прочности инструмента.

На заводе «Автонормаль» (г. Белебей, Башкортостан) изготавливается до 3000 наименований деталей высадкой и штамповкой на автоматах для ВАЗа, КАМАЗа и их смежников. И это в первую очередь стержневые детали: болты, винты, пальцы, шпильки, штифты, различные заклепки и др. А также много других деталей, в том числе много гаек, пружин, шайб, колец и др. При этом применяется много конструкционных и инструментальных сталей. Для того, чтобы правильно выбрать материал для инструмента по параметру р для конкретной конструкционной стали составлены табл. 1 и 2. Таблицы составлены на основании многолетних экспериментальных исследований образцов на сжатие. Образцы высотой 10 мм и диаметром 5 мм подвергались сжатию на испытательной машине до начала пластической деформации у конструкционных сталей (а_х) или до поломки или выкрашивания кромок у инструментальных сталей (σ_с). При этом торцы образцов опирались на прочные широкие подкладки.

Приведенные в таблице данные получены в лабораториях завода «Автонормаль», поэтому они могут в какой-то степени не совпадать с приведенными прочностными характеристиками в спра-

Таблица 1

Механические свойства конструкционных сталей для холодной высадки автонормалей и метизов на автоматах

Марка	Прочность при сжатии ах , МПа
	При поставке	После отжига	Закаливание + отпуск	Примечание
08 кп (08 пс)	380–540	300–450	–	Не закаливаются
10 (10кп)	450–600	300–450	–	Не закаливаются
20 (20 кп)	–	370–540	–
35 (35 селект)	500–650	430–560	990
45	680	560	1270
20Х	–	–	800
12Г1Р	570	490	830
20Г2Р	620	560	950
30Г1Р	680	610	1020
40Х	800	–	1050
65Г	800	550	1000
70ХГФА	1700	–	–	В упрочненном состоянии
Л63	350	–	–	Латунь

Таблица 2

Механические свойства инструментальных сталей для холодной высадки автонормалей и метизов на автоматах

Марка Прочность при сжатии после закаливания σс, МПа У8А 2400 У10А 3000 ХВ1Г 3700 9ХС 3600 Х12МФ 4200 Х12МВ 4000 Р6М5 4600 Р18Ф 3800 ВК8 5230 вочниках. Тем более, что у инструментальных сталей практически нет справочных данных по прочности при испытаниях на сжатие. Они испытываются на твердость. А хрупкий излом может произойти при сжатии со значительным отклонением и рассеиванием предела прочности ав, полученного при переводе HRC в ав по таблицам, которые приведены в справочниках. Все зависит от химсостава и режимов термообработки. Твердость твердого сплава ВК8 HRC ≈ 80. Можно условно пересчитать прочность твердого сплава по формуле В.Н. Шалина [1]

ас = 0,13(HRC)2 - 5,8(HRC) + 155 =

= 5230 МПа.

Следует отметить, что повышение твердости твердого сплава (HRC = 80) на 33 % по сравнению с твердостью инструментальной стали (HRC = 60) дает увеличение износостойкости до 10 раз, т. е. до 900 %.

У более хрупких инструментальных сталей разница между прочностью на сжатие ас, на изгиб аи и растяжение ар значительна. Например, для сталей Р6М5 и Р18Ф были изготовлены и испытаны образцы на растяжение, а для стали Р18Ф и на изгиб по схеме двухопорной балки.

Р6М5   а с = 4600;   а_р = 2000 МПа

Р18Ф   а с =3800;    а_и = 2800;    а_р = 1800 МПа

Результаты испытаний показывают, что хрупкие инструментальные стали имеют прочность на изгиб и растяжение меньше в 2 с лишним раза по сравнению с прочностью на сжатие.

Но вернемся к показателю р = а_с/а₅ . Очевидно, что минимальное его значение может быть для самой простой операции – начало осадки заготовки пуансоном с диаметром, равным диаметру заготовки. В этом случае прочность пуансона минимальна и p _min = 1. Процесс штамповки становится нереальным. Отштампованная заготовка становится бесформенной. При другой тоже простой операции – внедрение пуансона в полупространство – начало деформации происходит с

Белков Е.Г.

р = 2,6 [2], т. е. прочность пуансона может быть о_с = 2,65 o_s ( p _min = 2,6) (см. обозначения выше). При дальнейшем внедрении пуансона в полупространство удельная нагрузка на пуансоне р = 4, т. е. пуансон должен быть прочнее штампуемого материала как минимум в 4 раза. Это соответствует коэффициенту р = 4. Приемлемая стойкость инструмента достигается при р = 3^5.

Износостойкость в данной статье не рассматривается, так как зависит от многих параметров. Однако один из примеров резкого увеличения износостойкости можно привести. Это секторные гаечные матрицы. Внутренняя вставка разрезана на 6 секторов, которые собраны в 2 бандажа. Такая конструкция позволяет после распрессовки шлифовать поверхности секторов, образующих грани гаек, с особой чистотой (до 16 класса), т. е. в гранях секторов отражается все, как в зеркале. Такая матрица может не изнашиваться при штамповке до 3 млн гаек. Несекционные матрицы, изготавливаемые по традиционной технологии, имеют стойкость только 300 тыс. штук. Износа граней секторов не происходит до ~ 2,5 млн штук, пока не потускнеет их поверхность. Далее начинается их износ и через 300 тыс. ходов они изнашиваются до пределов допуска.

Стойкость инструмента при холодной штамповке нормалей и метизов

Вывод

• 1.    Изготовлены образцы и проведены прочностные испытания на сжатие большинства конструкционных и инструментальных сталей, применяемых для холодной высадки нормалей и метизов.

• 2.    Показано, что начальным коэффициентом, определяющим стойкость инструмента, является отношение прочности инструмента к прочности штампуемой детали. Этот коэффициент увеличивается с усложнением схемы и условий деформирования.

• 3.    Практика показала, что приемлемая стойкость инструмента достигается для простых формообразований (например, осадка, но не чеканка) при р = 3 ^ 5. Для более сложных высоконагру-женных операций обработки давлением (например обратное выдавливание) следует проводить расчет усилия и выбирать инструмент по другому коэффициенту р = P/F.