Стойкость инструмента при холодной штамповке нормалей и метизов

УДК 621.77.001.1

DOI: 10.14529/теМ 60119

СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКЕ НОРМАЛЕЙ И МЕТИЗОВ

Е.Г. Белков

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Приведены результаты прочностных испытаний на сжатие большинства конструкционных и инструментальных сталей, применяемых для холодной высадки. Показано, что начальным коэффициентом, определяющим стойкость инструмента, является отношение прочности инструмента к прочности штампуемой детали. При расчете штамповой оснастки необходимо знать предел прочности инструмента на сжатие, но в известной нам литературе приводится только твердость НЕС = 60-62. Табличный перевод твердости в предел прочности однозначен для всех инструментальных сталей. Но на практике может быть значительное различие в прочностных свойствах при закаливании инструмента, несмотря на стабильность твердости. Поэтому проведенные эксперименты имеют большое практическое значение. Работа проведена на универсальном испытательном стенде. Образцы для испытаний на сжатие имели размер высотой 10 мм, диаметром 5 мм и опирались на прочные широкие подкладки.

Ключевые слова: прочность; инструментальная сталь; твердость.

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 проч-ностей инструмента и штампуемой детали. Обозначим этот показатель р = ос/о5, где ас - прочность на сжатие материала термообработанного инструмента; ах - 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 = Р /Р, где Р - сила, действующая на пуансон; Р - 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 = сс/ ~р = сс •Р/Р, где сс - 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 составляет р = ос/о5 « 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 (ах) или до поломки или выкрашивания кромок у инструментальных сталей (ос). 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-

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2016. Т. 16, № 1. С. 131-134

Обработка металлов давлением

Таблица 1

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

Марка Прочность при сжатии os, 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 ос, 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 испытыва-ются на твердость. А хрупкий излом может произойти при сжатии со значительным отклонением и рассеиванием предела прочности ств, 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^С)2 - 5,8^С) + 155 = = 5230 МПа.

Следует отметить, что повышение твердости твердого сплава (ЖС = 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 аг = 4600; ар = 2000 МПа

ар = 1800 МПа

Р18Ф ас = 3800; аи = 2800;

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 = ос/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 рт^п = 1. Процесс штамповки становится нереальным. Отштампованная заготовка становится бесформенной. При другой тоже простой операции - внедрение пуансона в полупространство - начало деформации происходит с

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy.

2016, vol. 16, no. 1, pp. 131-134

Белков Е.Г.

Стойкость инструмента при холодной штамповке нормалей и метизов

р = 2,6 [2], т. е. прочность пуансона может быть ас = 2,65 ах (рт1п = 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.

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 = Р/Р.

Литература

1. Шалин, В.Н. Расчет упрочнения изделий при их пластической деформации / В.Н. Шалин. -М.: Машиностроение, 1971. - 192 с.

2. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением: учеб. для вузов / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. -М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.

Белков Евгений Григорьевич, д-р техн. наук, профессор кафедры машин и технологий обработки материалов давлением, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; belkoveg@susu.ru.

Поступила в редакцию 6 апреля 2015 г.

DOI: 10.14529/met160119

TOOL STABILITY UNDER COLD STAMPING OF ROD PARTS AND HARDWARE

E.G. Belkov, belkoveg@susu.ru

South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

The results of compressive strength tests of many structural and tool steels used for cold heading are listed. It is shown that the initial factor determining tool stability is the ratio of the tool strength to the stamped part strength. While calculating die tooling it is necessary to know the tool ultimate compressive strength, though known literature lists only hardness (HRC 60-62). Table conversion of hardness to ultimate strength is single-valued for all tool steels. But in practice considerable difference in strength properties while hardening the tool is possible in spite of stable hardness. This indicates the importance of this study. The work is carried out with the help of the versatile testing facility. The samples under compression test were 10 mm in height, 5 mm in diameter and were supported on strong wide pads.

Keywords: strength; tool steel; hardness.

Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2016. Т. 16, № 1. С. 131-134

Обработка металлов давлением

References

1. Shalin V.N. Raschet uprochneniya izdeliy pri ikh plasticheskoy deformatsii [Calculation of Strengthening of Products in Plastic Deformation]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1971. 192 p.

2. Storozhev M.V., Popov E.A. Teoriya obrabotki metallov davleniem. [Theory of Metal Forming]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1977. 423 p.

Received 6 April 2015

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Белков, Е.Г. Стойкость инструмента при холодной штамповке нормалей и метизов / Е.Г. Белков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2016. -Т. 16, № 1. - С. 131-134. DOI: 10.14529/теиб0119

Belkov E.G. Tool Stability Under Cold Stamping of Rod Parts and Hardware. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 131-134. (in Russ.) DOI: 10.14529/met160119

Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy.

2016, vol. 16, no. 1, pp. 131-134