Инжиниринг

Способ изготовления разделительного штампа с применением лазерной размерной и упрочняющей обработки

Для изготовления рабочих частей разделительных штампов координатно-револьверных прессов применяют высоколегированные инструментальные стали карбидного класса высокой прокаливаемости – X12, X12M, X12Ф, P6M5 и др. [1]. В процессе эксплуатации происходит затупление металла режущей кромки, и при достижении предельной величины (~ 0,13 мм) пуансон и матрицу подвергают переточке по передней рабочей поверхности для достижения острой режущей кромки. Количество переточек может составлять 20 – 25, что соответствует общему объему металла по передней поверхности 2,6 – 3,3 мм, после чего рабочие части снимаются с эксплуатации.
11 апреля 2012

По условиям эксплуатации штампов применение высоколегированных инструментальных сталей обосновано в режущей кромке, испытывающей высокие удельные усилия, ударные нагрузки, нагрев и интенсивный износ. Остальную часть пуансона и матрицы целесообразно изготавливать из конструкционных низколегированных среднеуглеродистых сталей с применением упрочняющей термической обработки [2, 3]. Изготовление пуансонов и матриц в цельном варианте из высоколегированных, дорогих и дефицитных инструментальных сталей при сравнительно низком коэффициенте использования металла с ограниченным ресурсом эксплуатации побуждает искать новые подходы в сокращении расхода сталей за счет конструктивного исполнения в составном или сборном вариантах и повышении стойкости инструмента при уменьшении затрат на изготовление.

Одним из эффективных способов экономии дорогостоящих высоколегированных инструментальных сталей и повышения стойкости и долговечности инструмента является наплавка их режущих кромок быстрорежущими сталями и сплавами, имеющими высокие износостойкость, прочность, вязкость и стойкость против высоких давлений [4, 5, 6, 7]. Экономия быстрорежущей стали при изготовлении наплавленного металлорежущего инструмента может достигать 90% [8]. Современные способы наплавки позволяют изготавливать биметаллический инструмент с использованием сталей и сплавов практически любого состава, независимо от твердости, прочности, степени легирования и других свойств при регулируемом проплавлении основного металла [6, 7].

Наплавленный металл может иметь литую мелкозернистую структуру – бал зерна 9 – 11 по ГОСТ 5639-65, твердость 58 – 62 HRC после наплавки и 63 – 66 HRC после высокотемпературного отпуска. Высокие механические и эксплуатационные свойства наплавленной быстрорежущей стали достигаются за счет термического цикла наплавки, при котором обеспечивается сохранение высоколегированного аустенита при охлаждении в высокотемпературном интервале. Наплавку можно выполнять без предварительного подогрева или при низкотемпературном подогреве. Наплавленная при таких условиях быстрорежущая сталь имеет структуру: мартенсит, карбиды и более 35 – 40% остаточного аустенита, что обеспечивает ей достаточно высокую технологическую прочность при лазерной обработке [9]. Оптимальная структура, твердость и износостойкость наплавленного металла достигается выполнением высокотемпературного отпуска в результате превращения остаточного аустенита в мартенсит и выделения дисперсных карбидов.

Несмотря на существенные преимущества, наплавку при изготовлении рабочих частей разделительных штампов, как и другого металлорежущего инструмента, применяют ограниченно по ряду причин и в том числе из-за припусков на механическую обработку шлифованием наплавленного металла с твердостью

62 – 66 HRC. Особые сложности появляются при обработке наплавленных режущих кромок с геометрией боковых рабочих поверхностей, отличных от цилиндрической. Затраты на механическую обработку шлифованием в этом случае могут в разы повышать себестоимость изготовления и заметно снижать эффективность применения наплавки.

Для повышения технологической привлекательности и экономической эффективности применения наплавки быстрорежущих сталей при изготовлении пуансонов и матриц разделительных штампов координатно-револьверных прессов в составном варианте (рабочая часть – наплавленная быстрорежущая сталь, корпус– конструкционная низколегированная среднеуглеродистая сталь) рассматривали возможности качественного снижения трудоемкости и длительности процесса размерной обработки наплавленных режущих кромок пуансонов и матриц.

Наплавку заготовок пуансонов и матриц проводили дугой прямого действия обратной полярности в защитной среде аргона порошковой проволокой диаметром 1,2 мм с омедненной поверхностью. Разделку кромок на заготовках под наплавку выполняли путем снятия слоя металла толщиной 3 – 4 мм с учетом свободного формирования наплавленного валика с рабочей стороны (рис.1).

Было установлено, что при дуговой наплавке в защитных газах плавящимся электродом на режимах, обеспечивающих заданную структуру и качество наплавленного металла, размерная обработка по передней и боковой рабочим поверхностям наплавленного металла шлифованием по трудоемкости и времени выполнения остается наиболее затратной технологической операцией при изготовлении составного инструмента. Качественное снижение трудоемкости размерной обработки достигается в случае применения комбинированной обработки наплавленного металла при применении шлифования по передним поверхностям и газолазерной резки по боковым рабочим поверхностям. При этом предпочтение следует отдавать такой геометрии сечения наплавленного валика, при которой становится возможным установление минимального припуска на размерную обработку шлифованием по передней части рабочей поверхности (рис. 2). Величина припуска по боковым рабочим поверхностям в случае удаления их газолазерной резкой не оказывает заметного влияния на снижение трудоемкости и времени размерной обработки независимо от конфигурации рабочей поверхности.

Технологические лазерные комплексы для размерной обработки и современные программные продукты позволяют качественно снизить трудоемкость и сократить время на размерную обработку по боковым рабочим поверхностям пуансонов и матриц со сложной геометрией периметра рабочей кромки.

Эффективность комплексной размерной обработки с применением шлифования по передним поверхностям и газолазерной резки при удалении припусков по боковым поверхностям была оценена при изготовлении экспериментальных партий наплавленных быстрорежущей сталью Р2М8 пуансонов и матриц разделительных штампов для вырубки отверстий в холоднокатаной конструкционной низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм квадратного 40 х 40 мм и круглого d = 40 мм сечений на координатно-револьверном прессе. Наплавку проводили при низкотемпературном подогреве заготовок из стали 30ХГСА на режимах, обеспечивающих получение заданной структуры и твердости наплавленного металла при отсутствии дефектов и возможности установления минимальных припусков по передним рабочим поверхностям пуансонов и матриц. После наплавки выполняли отпуск заготовок для уменьшения уровня остаточных напряжений и сохранения приемлемой технологической прочности при газолазерной резке. Припуски по передним рабочим поверхностям наплавленных пуансонов и матриц, которые составляли 0,4 и 0,3 мм соответственно, обрабатывали на плоскошлифовальном станке на режимах, рекомендованных для быстрорежущих сталей нормальной производительности (рис. 3).

Удаление припусков по боковым рабочим поверхностям с помощью газолазерной резки выполняли на лазерном комплексе Bysprint 2 на режимах, обеспечивающих оптимальную производительность и приемлемое качество поверхности реза (рис. 4). После газолазерной резки выполняли термическую обработку наплавленных заготовок в виде отпуска.

Основной особенностью газолазерной резки является образование характерной шероховатости поверхности реза. Эта шероховатость проявляется в виде периодических бороздок (бороздчатости) с волнообразными выпуклостями и впадинами. В литературе разные авторы дают различные названия подобным шероховатостям (англ. striations, strokes, patterns, grooves, ripples и др.). При увеличении толщины реза ширина и глубина бороздок увеличиваются, при этом качество реза ухудшается. При выборе оптимального соотношения между скоростью газолазерной резки и плотностью мощности подводимого в зону обработки излучения можно добиться высокого качества поверхности реза инструментальной стали с Ra = 2,5 – 3,5 мкм.

Микроструктура быстрорежущей стали после наплавки представляет собой игольчатый мартенсит, остаточный аустенит и карбиды (рис. 5, а). Зона лазерного воздействия имеет слоистое строение (рис. 5, б). На поверхности реза из-за высоких температурных и концентрационных градиентов возникает высокая степень неравновесности жидкой фазы. Это обеспечивает диспергирование растущих кристаллитов.

На рисунке 6 представлена 3D-визуализация рельефа оплавленной поверхности, полученная с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). В оплавленной зоне структура в основном представлена аустенитом и высокодисперсными карбидами. Микротвердость около 900 HV. Образец предварительно был подвергнут электролитической полировке в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Данная обработка способствовала выявлению кристаллитов, которые выросли при направленной кристаллизации расплава.

В зоне закалки из твердой фазы микротвердость возрастает до 1050 HV, что связано со снижением содержания остаточного аустенита, увеличением количества мартенсита и карбидов легирующих элементов, не растворившихся при нагреве. Структура стали в этой области отличается большой неоднородностью, что связано с негомогенностью аустенита [10]. Мартенсит характеризуется повышенной дефектностью строения кристаллов, измельченностью блоков, увеличением плотности дислокаций и роста напряжений в кристаллической решетке.

Выполненные исследования показали, что в процессе газолазерной вырезки рабочих поверхностей пуансонов и матриц штампов для координатно-револьверного пресса образуется закаленный слой глубиной 120 – 130 мкм. Он характеризуется повышенной твердостью и наличием высокодисперсных карбидов. Таким образом, ГЛР может успешно применяться не только как разделительная операция, но и как операция упрочнения рабочих кромок разделительных штампов.

Анализ результатов исследований подтвердил высокую технологическую привлекательность и экономическую эффективность изготовления составных конструкций пуансонов и матриц при применении наплавки режущих частей быстрорежущими сталями. Затраты на размерную обработку наплавленной режущей части сокращаются в 4 – 6 раз при сокращении времени изготовления в 6 – 12 раз.

Литература:

  1. Попов Е.В. Технология и автоматизация листовой штамповки/Е.В. Попов, В.Г. Ковалев, И.И. Шубин, М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2003. 480 с.
  2. Способ изготовления штампа. Патент на изобретение №2279956. МПК. В23К 31102 (2006.01).
  3. Инструментальная штамповая сталь. Патент на изобретение №2 274 673. МПК С22С 38152 (2006. 01).
  4. Шнейдер Е.А. Влияние режима термической обработки на морфологию структурных составляющих наплавленной быстрорежущей стали/Е.А. Шнейдер//Сварочное производство. 2009. №11 С. 42-47.
  5. Шнейдер Е.А. Оптимизация технологического процесса изготовления наплавленного металлорежущего инструмента/Е.А. Шнейдер//СТИН. 2009. №7. С.24-26.
  6. Зубкова Е.Н. Наплавленная инструментальная штамповая сталь повышенной износостойкости/Е.Н. Зубкова, Д.В. Булкин, А.А. Золотов//Вестник Тверского государственного технического университета. 2004. Вып. 5.
  7. Переплетчиков Е.Ф. Плазменно-порошковая наплавка режущего инструмента/Е.Ф. Переплетчиков, И.А. Рябцев//Сварочное производство. 2008. №11. С.28-31.
  8. Журавлев П.В. Эффективное внедрение наплавки режущего инструмента быстрорежущей сталью. Прогрессивные технологические процессы изготовления режущего инструмента/П.В. Журавлев, В.С. Ильин М: МДНТП, 1978. С. 79-83.
  9. Афанасьева Л.Е. Технологическая прочность наплавленной быстрорежущей стали при газолазерной резке/Л.Е. Афанасьева, И.А. Барабонова, Н.С. Зубков, М.С. Разумов//МиТОМ. 2009. №7. С.36-38.
  10. Афанасьева Л.Е. Структурное состояние инструментальной стали после лазерной закалки с оплавлением поверхности/Л.Е. Афанасьева, И.А. Яковлев, П.О. Зоренко, Н.С. Зубков, Р.М. Гречишкин//Металлургия машиностроения. 2010. №4. С. 17-20.