Способи зменшення зношення

Щоб отримати уяву про механізми процесу зношення, їхніх якісних та кількісних характеристик використовували різні методи, зокрема, візуальні дослідження, профілографування робочих поверхонь інструмента (на профілографі-профілометрі 201), мікроскопічне дослідження (на оптичному мікроскопі МИМ-7), електронно-мікроско-пічні дослідження (на мікроскопі «Tesla»), електронно-зондовий мікроаналіз (на мікроаналізаторі МАР-2).

Досліджували пуансони та матриці для холодного штампування сталевих деталей та деталей зі сплавів кольорових металів (Харківський велозавод, Кременчуцький автозавод, Шахтинський завод «Гідропривід»).

Робочі поверхні пуансона (торчак Т та калібрувальний поясок К) зазвичай шліфують і полірують до шорсткості R_а = 0,25…0,63 мкм. Але після перших сотень циклів штампування (взаємодії пуансона із заготованкою, що деформується) топографія його робочих поверхонь Т і К змінюється: на торчаку й калібрувальному пояску з’являються сліди орієнтованого зношення (тонкі риски, подряпини), напрям яких збігається з напрямом течії метала. Після штампування 500…1500 деталей стан поверхні стабілізується і залишається незмінним аж до виходу пуансона з ладу через втрату розміру. При цьому його шорсткість збільшується до R_а = 1,6…3,2 мкм.

На поверхні калібрувального пояска спостерігається інша картина: риски, які утворились після перших сотень циклів штампування, вигладжуються, але на їхньому місці неперервно утворюються нові. Навіть за умов нормального змащення на калібрувальному пояску спостерігаються мікроскопічні вузли схоплювання, які неперервно утворюються й руйнуються [12]. Сліди схоплювання обумовлюють збільшення шорсткості до R_а = 10…20 мкм. За наявності ефективного змащення і невеликого шляху тертя стан пояска може зберігатись досить довго (до 100 тис. циклів і навіть більше). Частіше усього такий стан пуансонів характерний для штампування штампованок з мідних або алюмінієвих сплавів.

Для штампування сталевих деталей з глибокими порожнинами, коли коефіцієнт суцільності фосфатного покриття К_с не перевищує 0,5, характерне неперервне погіршення стану поверхні калібрувального пояска та досить швидкій вихід пуансона через його зношення.

У деяких випадках зношення калібрувального пояска пуансонів було явно недопустимим і призводило до пошкодження. Як правило, це спостерігали при видавлюванні сталевих деталей, коли коефіцієнт суцільності змащувального фосфатного покриття К_с становив 0,4 і менше. При цьому спостерігались не лише явища заїдання, але й схоплювання, налипання металу заготованки на робочу поверхню калібрувального пояска. Такі пошкодження найчастіше настільки погіршували силовий режим штампування, що пуансони не витримували перевантажень і ламались.

Треба зазначити, що між характером зношення калібрувального пояска пуансона та коефіцієнтом суцільності покриття наявний тісний зв’язок.

Картина зношення матриць подібна до картини зношення пуансонів. Стан робочих поверхонь матриць для зворотного і прямого штампування деталей типу стаканів швидко стабілізується і залишається незмінним на протязі усього періоду експлуатації, але така картина спостерігається за умов застосування ефективних мастил для кольорових металів та високого значення коефіцієнта суцільності фосфатного покриття при видавлюванні сталевих деталей. Матриці для штампування сталевих деталей типу стрижнів з головками знаходяться у значно важчих умовах. Тому для них характерно неперервне погіршення стану матричної лійки. Для більш тонкого дослідження механізму зношення робочих поверхонь інструмента використовували методи оптичної та електронної мікроскопії [13]. При цьому встановили, що початковий рельєф, який отримано механічною обробкою, повністю змінюється після перших сотень циклів роботи матриць та пуансонів. Зношення різних ділянок пуансонів та матриць відбувається по-різному через різні умови розподілу мастила (суцільності фосфатного покриття). Нагрівання пуансонів до температури 170…220ºС і матриць до 150…170ºС сприяє активізації хімічних процесів та утворенню захисних вторинних структур. На електронограмах виявлені оксиди заліза Fe₃O₄ . Тонкі оксидні плівки добре екранують поверхні інструмента і заготованки.

Узагальнення результатів аналізу кінетики зношення робочих поверхонь інструмента для холодного штампування дає підстави зробити наступні висновки.

1. У початковий період експлуатації інструмента для холодного штампування на його робочих поверхнях відбувається інтенсивне зношення, яке призводить до суттєвої зміни мікрогеометрії. Це явище можна уподібнити припрацюванню машинних пар. В пуансонах та матрицях для холодного штампування припрацювання відбувається після виготовлення 500…1500 деталей.

2. Коли умови роботи інструмента сприятливі (К_с > 0,5), стан його робочих поверхонь стабілізується і може зберігатись на протязі досить довгого періоду (100 тис. видавлених деталей і більше). В цьому випадку пуансон виходить з ладу через розмірне зношення калібруючого пояска. За наявності жорсткого допуску на розмір отвору деталі пуансон треба знімати і замінювати новим.

3. Якщо умови роботи інструмента менш сприятливі (К_с < 0,5), то після припрацювання стан його робочих поверхонь неперервно змінюється: збільшується кількість слідів зношення, збільшується їхня глибина, утворюються вузли заїдання й схоплювання, на інструмент налипає метал деформованої заготованки. В цьому випадку інструмент доводиться знімати зі штампа і заміняти новим не у зв’язку з його розмірним зношенням, але через погіршення якості поверхні виготовлених деталей, погіршення умов роботи штампа, поламок пуансонів.

Відомо, що зношування матриць для холодного штампування відбувається досить нерівномірно. У зв’язку із цим крива зношування має різко виражений максимум у точці М, ордината z_М якої зазвичай більша, ніж висота вихідної заготовки h₀ (рис. 37).

а б в

Рис. 37. Схема штампування стакана (а), крива зміни макрогеометрії матриці (б) і графік зношування (в): АВС – вихідний контур робочої поверхні матриці; АВМС – те ж після зношування

Домовимось називати діаграмою зношування матриці залежність максимального діаметрального зношування W^макс від числа видавлених деталей N. Аналіз діаграм на багатьох заводах показав, що інтенсивність зношування dW/dN змінюється в широких межах залежно від умов штампування, з числа яких варто виділити шлях тертя. На відміну від тертя в машинних парах, де шлях тертя визначається як сумарне лінійне переміщення одного з елементів сполучення, у процесах ОМТ шлях тертя як фізична величина ще навіть не визначений. Щоб усунути цю прогалину, уведемо наступне визначення:

Шлях тертя L(z) – це функція координати z контактної поверхні деформуючого інструмента, значення якої визначається сумарним переміщенням часток деформованої заготованки відносно розглянутої точки контактної поверхні інструмента в заданому напрямку z:

. (19)

Тут v_τ – дотична складова швидкості переміщення частинок заготованки відносно інструмента (у змінних Ейлера); t(z)_п та t(z)_к – час початку й кінця руху частинок металу в точці з координатою z.

Розрахунок шляху тертя для різних матриць показав, що L(z) не залежить від швидкості пуансона, але сильно залежить від координати точки контактної поверхні матриці, розмірів заготованки d₀, h₀, а також відносного радіуса пуансона.

Рис. 38. Схема штампування стрижня з фланцем (а) та графік залежності шляху тертя L(z) від координати z (б)

Різниці у шляхах тертя визначають різниці в інтенсивності зношування матриць. Це особливо помітно при аналізі стійкості матриць для прямого штампування деталей типу стрижнів. Із цієї причини калібрувальна частина матриці швидко змінює свій первісний профіль саме у тих місцях, де шлях тертя найбільший (рис. 38).

Аналіз діаграм зношування матриць для зворотного й прямого штампування показав, що зношування W пов’я-зане із числом видавлених деталей N залежністю, близькою до лінійної, котру можна представити в такому виді:

. (20)

Тут Ф(УВ) – експериментально визначена функція, яка залежить від умов штампування (матеріалу заготованки і її твердості, ступеня деформації, матеріалу й твердості матриці, умов тертя, швидкісного режиму деформації); L(z) – шлях тертя для даної деталі; L_б – базовий шлях тертя, для якого визначена функція Ф(УВ) для даної деталі; К_з – коефіцієнт зношування, що визначає вплив супутніх процесів зношування при зміні L(z). K_з = 1,0...1,2,якщо коефіцієнт суцільності фосфатного покриття K_c лежить в межах 0,6...1,0.

На даному етапі розвитку науки про тертя визначити Ф(УВ) у загальному виді неможливо.

Для конкретної деталі й певного матеріалу матриці можна вважати, що для зворотного штампування деталей типу стаканів функція Ф(УВ) має лінійний вигляд

Ф(УВ)= С₀ + С₁Н_м, (21)

де С₀ і С₁ – константи (які обчислюються за експериментальним даними методом найменших квадратів і мають розмірність мм/шт), а Н_м – твердість матриці (в одиницях HRC).

Наприклад, для гайки заднього колеса КрАЗ маємо:

С₀= 2,78·10 ^-5; С₁ = -4,05·10 ^-7.

Звідси витікає, що із збільшенням твердості матриці її зношення зменшується.

Процес зношування матриць, призначених для штампування деталей типу стрижня з голівкою або комбінованим штампуванням, визначається більш складними залежностями: він визначається не тільки твердістю матриці H_м, але й висотою пояска матриці l_м, що калібрує штампованку (і забезпечує її прямолінійність). Тому функція Ф(УВ) набуває більш складного вигляду:

Ф(УВ)= А₀₀ + А₁₁Н_м + А₁₂Н_м² + А₂₁l_к + А₂₂ l_к². (22)

Тут Н_м – твердість матриці (в одиницях HRC); l_к – висота калібрувального пояска матриці (мм); А₀₀ … А₂₂ – константи (які обчислюються за експериментальним даними методом найменших квадратів і мають розмірність мм/шт).

Наприклад, для другого переходу штампування складених поршнів на Шахтинському заводі «Гідропривід» отримано: А₀₀ = 6,17·10 ^-6; А₁₁ = -1,94·10 ^-6 ; А₁₂ = 3,35·10 ^-8; А₂₁ = 6,02·10 ^-7; А₂₂ = -4,02·10 ^-8.

Звідси витікає, що при l_к > 20 і Н_м < 56 можливе «негативне зношування», тобто зменшення діаметра матриці по калібрувальному пояску. Це відкриває шляхи керування зношуванням. Ще більш яскраво проявляється цей ефект при аналізі процесу зношування пуансонів. Збільшення діаметра калібруючого пояска пуансона спостерігали й раніше (Ю.Ф.Филимонов, A.K.Cruden, R.Morgan), але його розглядали тільки як зло. Проте за певних умов це явище можна використати для підвищення стійкості пуансонів. Для пуансонів функція Ф(УВ) може бути представлена в такому виді:

Ф(УВ)= В₀₀ + В₁₁Н_п + В₁₂Н_п² + В₂₁l_к + В₂₂ l_к². (23)

Тут Н_п – твердість пуансона (в одиницях HRC); l_к – висота калібруючого пояска пуансона (мм); В₀₀ … В₂₂ – константи (які обчислюються за експериментальним даними методом найменших квадратів і мають розмірність мм/шт).

Для пуансона зі сталі Р6М5 при видавлюванні гальмового барабана задньої втулки велосипеда ХВЗ отримані такі дані: В₀₀= 1,10·10 ^-3; В₁₁ = -3,49·10 ^-5; В₁₂ = 2,80·10 ^-7; В₂₁ = - 3,99·10 ^-6; В₂₂ = 5,20·10 ^-7.

По залежності (20) легко визначити зносостійкість пуансона N_п як функцію допуску на його зношування Δd, у межах якого виготовлені деталі відповідають технічним вимогам кресленика:

N_п = Δd·L_б / Ф(УВ)·L(z)·К_з. (24)

Якщо прийняти допуск Δd = 0,20 мм, L(z) = L_б и К_з = 1,0, то за таких умов та наведених вище значеннях констант В₀₀ … В₂₂ отримаємо максимальну можливу стійкість пуансона 62860 деталей. При цьому Н_п та l_к будуть дорівнювати відповідно 62,2 HRC и 3,8 мм.

Важливо зазначити, що при відхиленні значень Н_п усього на 3 одиниці, а l_к – на 2,5 мм, зносостійкість падає більш ніж у 2 рази!

Аналіз питомого зношування матриць і пуансонів для холодного штампування показує, що пуансони зношуються значно швидше, ніж матриці. Крім того, розсіювання значень питомого зношування пуансонів у два із зайвим рази вище, ніж розсіювання питомого зношування матриць. Це обумовлено тим, що на внутрішній поверхні стаканів, які видавлюють, коефіцієнт суцільності фосфатного покриття значно нижчий та менш стабільний. Тому коефіцієнт К_з може відрізнятися від прийнятого (К_з = 1,0).

Оскільки стійкість – це поняття родове, то оптимізацію треба розглядати з двох точок зору: довговічності (тобто здатності робочих частин штампа працювати без руйнування) та зносостійкості (здатності виробляти штампованки у відповідності з вимогами кресленика).

Математична модель довговічності пуансона для конкретного процесу штампування встановлюється на основі експериментів і має вигляд функції (8).

Математична модель зносостійкості пуансона для конкретного процесу штампування також встановлюється на основі експериментів і має вигляд функції (24).

З попередніх розділів можна зробити висновки про те, що параметри процесу холодного штампування по-різному визначають довговічність і зносостійкість пуансонів. Інакше кажучи, максимуми довговічності та зносостійкості пуансонів не збігаються. Тому для визначення максимуму стійкості треба побудувати діаграму стійкості – діаграму довговічності пуансона і діаграму зносостійкості в одній координатній системі, як це показано на рис. 48.

Рис. 48. Діаграма стійкості пуансона для холодного

штампування

З діаграми (рис. 48) витікає, що максимум довговічності відповідає координатам Н_р* та l_кр*, а максимум зносостійкості відповідає координатам Н_з* та l_кз*. Тут індекси р та з визначають руйнування та зносостійкість. Якщо для пуансона взяти Н_р* та l_кр*, то його довговічність буде найвищою, а зносостійкість буде відповідати еліпсу 1, а це означає, що його зносостійкість буде значно нижчою. Якщо для пуансона взяти Н_з* та l_кз*, то його зносостійкість буде найвищою, а довговічність буде відповідати еліпсу 2, а це означає, що його довговічність буде значно нижчою. В першому випадку пуансон вийде з ладу через зношення значно раніше, ніж зруйнується. В другому – вийде з ладу через руйнування значно раніше, ніж зноситься. Оптимальним варіантом будуть такі параметри пуансона Н_с* та l_кс*, які відповідають точці дотикання еліпсів 3 та 4, які мають однакові рівні стійкості.

Таким чином, в цьому випадку маємо типову задачу оптимізації.

Аналогічним способом можна оптимізувати стійкість матриць для штампування. Проте для матриць існують способи підвищення їхньої довговічності за рахунок створення у вставанці напружень стискання шляхом бандажування. Тому оптимальними можна вважати такі конструкції матриць, які показують найвищу зносостійкість. Існуючі сьогодні методи розрахунку матриць дають можливість створити такі конструкції матриць, які мають довговічність, значно більшу, ніж їхня зносостійкість. Оскільки у матрицях для штампування деталей типу стрижнів з голівками шлях тертя дуже великий (див. рис. 38), зношення цих матриць набагато більше, ніж матриць для штампування деталей типу стаканів.