Повышение надежности и долговечности штампов для разделительных операций листовой штамповки

Для повышения надежности и долговечности штамповой оснастки при выполнении разделительных операций предложен метод нанесения антифрикционных покрытий на основе эпиламирования, обеспечивающий увеличение ресурса работы штампов при выполнении операций вырубки-пробивки.

Установлено, что направляющие элементы, изготовленные из сталей 20, 40Х, разделительных штампов изнашиваются после 400-500 тыс. рабочих ходов пресса, после чего не могут обеспечить сохранение строгого центрирования рабочих частей штампа, а, следовательно, первоначально установленного зазора между матрицей и пуансоном.

Основные причины разрушения поверхностных слоев трущихся деталей связаны с возникновением усталостных трещин и отделением микроскопических чешуек металла или его окислов. В отдельных случаях отделение частиц может происходить в результате наклепа поверхностного слоя, который становится хрупким и разрушается. При повреждении рабочих поверхностей направляющих элементов имеют место два вида разрушения: контактная усталость, которая возникает при скольжении и проявляется в развитии местных очагов, и усталостный износ, когда при трении скольжения отделение микрообъемов поверхностей связано с их усталостной природой.

В результате между поверхностями имеет место граничное трение, когда слой смазки не превышает 0,1-0,15 мкм. В этом случае износ значительно меньше, чем при сухом трении, однако полностью его избежать не удается, так как имеется  непосредственный контакт между трущимися поверхностями колонки и втулки, который происходит вследствие локального разрушения граничной пленки смазки.

Большие удельные давления в направляющих элементах системы вызывают также разрыв граничной пленки, в результате чего происходит адгезионное схватывание металлов.

Эти нагрузки вызывают износ из-за усталостного разрушения микронеровностей и их пластического деформирования.

В результате исследований установлено, что повышение износостойкости деталей системы направления штамповой оснастки достигается применением новых материалов и твердых покрытий в сочетании с новыми технологиями, в частности эпиламированием рабочих поверхностей пар трения.

Целью настоящего исследования являлось определение возможности повышения износостойкости направляющих элементов штампов для разделительных операций листовой штамповки путем нанесения антифрикционных покрытий на основе эпиламирования.

Покрытие эпиламой (фторсодержащим поверхностно-активным веществом ПАВ) позволяет снизить коэффициент трения, величину износа, увеличить ресурс и надежность работы инструмента и деталей машин.

Покрытие наносится на поверхность в виде тонкой пленки, представляющей собой молекулярные или близкие к ним по размерам слои, толщина которых составляет 40…100 А, в результате чего пленка не оказывает принципиального влияния на размеры и шероховатость поверхности деталей. Поэтому данное покрытие может быть нанесено после окончательного изготовления детали и не нуждается в механической обработке. Основная особенность покрытия эпиламой заключается в способности прочного соединения с поверхностью, образовании разделительного барьера пленки с очень низким запасом поверхностной энергии, что приводит к прочному удержанию смазочных жидкостей, внесенных в узлы трения.

Технология эпиламирования достаточно проста и может быть применена непосредственно в производственных условиях.

При нанесении покрытия фторсодержащим ПАВ применяются технологии холодного и горячего покрытия.

Перед нанесением покрытия обоими способами образцы и детали очищаются и промываются от продуктов механической обработки и других видов загрязнений.

При холодном способе нанесения покрытия фторсодержащим ПАВ производится обезжиривание бензином Б-70 и ацетоном «Ч», погружение в закрытый сосуд с эпиламирующим составом 6СФК-180-05 (ТУ-6-02-1229-82), представляющий раствор фторсодержащего ПАВ и хладона 113, выдержка в этом составе при температуре +40оС, выемка и высушивание образцов, деталей при температуре +50оС в течении 2ч.

Горячий способ нанесения покрытия фторсодержащего ПАВ является более эффективным, чем холодный способ. При этом способе предварительно обезжиренные бензином Б-70 изделия (детали и образцы) на сетчатой подставке помещалется в обезжиривающую емкость, полотно закрывающуюся и снабженную рубашкой для подачи горячей воды (сетчатая подставка и обезжиривающая емкость изготовлены из нержавеющей стали). Емкость заполняется хладоном 113 ГОСТ 23-844-79 ниже уровня сетчатой подставки. Рубашка обезжиривающей емкости заполняется подогретой от электронагревателя до +70…80оС водой, в результате чего обеспечивается кипение и частичное испарение хладона 113 и обезжиривание изделий его паром в течении 0,5…1,0 ч. Одновременно с этим обеспечивается непрерывный процесс улавливания и конденсации паров кипящего растворителя с помощью обратного холодильника.

Работа по обезжириванию и эпиламированию образцов, деталей производится с использованием специальной установки, имеющей три камеры с воздушной рубашкой для обогрева и охлаждения, которые могут подключиться к расположенному в верхней части установки электронагревателю или системе холодного водоснабжения. Рабочие камеры соединены двумя обратными холодильниками, предназначенными для конденсации паров рабочих жидкостей и возврат их в рабочие камеры.

По окончании обезжиривания производится охлаждение изделий до комнатной температуры, выемка и перенос сетчатой подставки с ними в эпиламирующую емкость, имеющую рубашку для подачи горячей воды. После этого емкость заполняется эпиламирующим составом 6СФК-180-05 в таком количестве, чтобы изделия были полностью покрыты. После плотного закрытия емкости, она нагревается горячей водой до +50оС, что обеспечивает обработку изделия парами эпиламы в течении 0,5…1 ч. После окончания указанной обработки производится охлаждение до комнатной температуры и выемка изделий с последующей сушкой и термообработкой их в электрошкафу при температуре +100…150 оС в течении 1…2 ч.

После окончания нанесения покрытия ПАВ обоими способами изделия, подлежащие хранению, во избежание коррозии смазываются дизтопливом.

Поскольку покрытие эпиламой выдерживает удельное давление до 3000 МПа, термостабильно до 400 оС и прочно удерживается на поверхности не только твердых, но и эластичных материалов – эта технология была нами предложена к применению для деталей втулок и колонок штампов.

Для проверки влияния эпиламирования на износостойкость деталей проведены лабораторные испытания образцов на машине трения УМТ-1 при следующих условиях:

  • сила прижатия образцов 400…4000 Н;
  • частота вращения шпинделя – 15…3000 м/мин;
  • силы трения – 2…40 Нм.

Конструкция испытательной установки позволяет производить испытания образцов по схемам: диск-палец, вал-втулка, кольцо-кольцо. Она оснащена электромеханическим моментоизмерителем и подключена к самопишущему потенциометру КСП-4, а также счетчиком количества оборотов шпинделя, автоматическим отключением установки при достижении определенного регулируемого момента трения и другими устройствами.

Испытания проводились при подобранной в процессе испытаний нагрузке прижатия 400 Н в течении 450 000 циклов (оборотов) с частотой вращения 320 м/мин.

Для проведения лабораторных испытаний были подготовлены партии деталей «вал-колонка», изготовленные из стали 40Х с последующим нанесением покрытий и термической обработкой.

Эпилама для покрытия термообработанных и азотированных поверхностей образцов деталей валов втулок представляет собой раствор ПАВ смазочной композиции 6СФК-180-05 в хладоне 113, обладающий высокой адгезионной способностью, уменьшающей трение в 5-6 раз и служащий гидродинамической смазкой. При нанесении покрытия ПАВ на рабочие поверхности происходит необратимый процесс адсорбции ПАВ в виде мономолекулярного или слоя толщиной не более (3…5)х10-3 мкм. Пленка уменьшает до минимума непосредственный контакт между микронеровностями трущихся деталей, препятствует возникновению между ними слоев молекулярного притяжения, что снижает силы трения до 6-8 раз. Пленка выдерживает нагрузки до 3000 МПа.

Длительность испытаний, подобранная опытным путем, составляла 8 часов. Принятые условия проведения испытаний более жесткие по сравнению с натуральными, поскольку при работе на испытательном стенде реализуется постоянный контакт и трение между рабочими поверхностями пары «вал-втулка».

Результаты испытаний образцов на износостойкость приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты испытаний образцов на износостойкость

Полученные результаты показывают, что для всех испытываемых образцов в начальный период нагружения происходит приработка поверхностей, сопровождающаяся некоторым уменьшением, а затем стабилизацией момента трения и ростом, а затем стабилизацией температуры образцов.

Как видно из таблицы, износ образцов с термообработанной и азотированной поверхностями отличается значительно. Применение образцов с покрытием ПАВ по азотированной и термообработанной поверхностям сопровождалось значительным повышением их износостойкости.

Выводы.
1. Основной причиной износа и нарушения работы прецизионных пар направляющих элементов разделительных штампов является абразивный износ.
2. Износостойкость может быть повышена технологическими методами путем нанесения покрытий с более высокой твердостью с гарантированным удержанием на поверхностях трения разделяющей их пленки.
3. Покрытие ПАВ, нанесенное на азотированную и термически обработанную сталь 40Х, обеспечивает суммарное повышение износостойкости в 3-5 раз.

Мовшович А.Я, Резниченко Н.К., Черная Ю.А., Ищенко М.Г.