Методы повышения износостойкости рабочих элементов штампов для бесстружечной обработки древесных материалов

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РАБОЧИХ

ЭЛЕМЕНТОВ ШТАМПОВ ДЛЯ БЕССТРУЖЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ

ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Прозоров Я.С.

This artcicle is devoted to the methods of increase in wear resistance of instruments for wood composite material chipless working.

Бесстружечное деление (штампование) успешно применяется для обработки листовых древесных материалов - ДВП, фанеры, шпона[1]. Интенсивное развитие машиностроения и деревообработки требует непрерывного совершенствования штамповочного производства и повышения эго эффективности.

Высокая стойкость штампов - основное условие рентабельной работы. Она в большей мере определяет точность и качество деталей. Повышение стойкости штампов обеспечивает рост производительности труда. При крупносерийном и массовом характере производства низкая стойкость штампов к простоям высокопроизводительных штампов-автоматов, а также вызывает необходимость изготовления штампов-дублеров, что ведет к нерациональной загрузке инструментальных цехов и непроизводительному использованию дорогого инструментального материала.

Для повышения периода стойкости и ресурса штамповочного инструмента разработано множество разнообразных методов. Их можно классифицировать на конструктивные, эксплуатационные и методы локальной упрочняющей обработки.

Конструктивные методы.

Стойкость и ресурс инструмента в значительной мере предопределяются еще на стадии проектирования, когда решаются вопросы выбора схемы обработки, инструментального материала, линейных и угловых размеров инструмента. Большое значение имеет правильное назначение технических требований к инструменту

Наиболее распространенные методы:

Подбор инструментального материала. Выбор материала для рабочих частей штампов определяется главным образом их конфигурацией и изнашивающей способностью обрабатываемого материала.

Исполъзование дополнительного прижима заготовки. Осуществляется добавлением узкого рабочего пояска шириной, равной 3-5 толщинам штампуемого материала, вдоль режущей кромки пуансона (или матрицы)[4] или клинового ребра, идущего вдоль наружной конфигурации пуансона[6]. Это способствует возникновению состояния всестороннего объемного сжатия материала с целью получения более качественной поверхности разделения.

Бандажирование инструмента. Бандаж в технике - кольца или пояса, надеваемые на части машин или конструкций для увеличения их прочности или уменьшения износа рабочих поверхностей. Для обработки материалов давлением

в замкнутых или частично замкнутых пространствах, как правило, инструмент выполняют сборным. При этом формующая его часть (в процессах прессования и штамповки - это матрица) запрессовывается с натягом в бандаж из одного или нескольких колец. Сопрягающиеся поверхности такого сборного инструмента выполняют в виде цилиндрических или конических поверхностей. В зависимости от рабочих нагрузок (давлений в зоне формообразования) и габаритных размеров матриц определяют число бандажных колец. Кроме того, рассчитывают величину натяга между сборными частями, используя при этом решение Ламе для задачи о напряжении в трубе. Возможность компенсации растягивающих напряжений обеспечивает стабильность получаемых поперечных размеров профилей[7].

Определение оптимальных технологических зазоров. Влияние технологического зазора на контактные напряжения, а следовательно и на износ рабочих частей штампа на стадиях пластического среза и проталкивания прямо противоположно. Отсюда следует, что для каждого доложен существовать оптимальный технологический зазор по стойкости штамповочного инструмента, при котором при заданных условиях деформирования величина упругой деформации отхода и отделяемой части заготовки будет минимальной, при этом износ рабочих частей штампа также будет минимальным[3].

Применение пуансонов с рифленой рабочей поверхностью. Общая работа разделения при пробивке пунсоном с рифленой рабочей поверхностью в среднем на 20% ниже, чем при пробивке шлифованными пуансонами. Это обеспечивает повышение их износостойкости в 3-4 раза.

Использование смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС). Применение эффективных смазок позволяет снизить усилие и потребную работу в некоторых случаях в 3-5 раз по сравнению с усилием при обработке без смазок. Смазывание инструмента и заготовки приводит к уменьшению сил контактного трения, уменьшению количества царапин и задиров, улучшению качества получаемой детали, снижению температуры поверхностных слоев - т.е. в конечном итоге к уменьшению изнашивания штампов.

Методы локальной упрочняющей обработки.

Характерной особенностью изнашивания штамповочных инструментов является то, что в этот процесс вовлечены тонкие поверхностные слои, а износ развивается в локальных зонах, прилегающих к кромкам. Это предопределяет необходимость выполнения упрочняющей обработки таким образом, чтобы достигнуть максимальной износостойкости именно в этих зонах, так как свойства материала за их пределами не оказывают существенного влияния. Поэтому с экономической точки зрения целесообразно использовать в качестве основы инструмента возможно менее дорогие и редкие материалы, а улучшения их свойств для оптимального уровня достигать локальной упрочняющей обработкой. Кроме того, применение локальных методов поверхностной упрочняющей обработки обеспечивает возможность гибкого изменения уровней формируемых характеристик материалов при переходе граничных зон между участками рабочих поверхностей инструментов, изнашивающимися по различным механизмам. Локальное упрочнение деревообрабатывающих инструментов может быть достигнуто термической и механической обработкой, а также нанесением износостойких покры-

тий[2]. Основные методы локальной упрочняющей обработки приведены в табл. 1.

Таблица 1-Методы локальной упрочняющей обработки

Методы упрочняющей обработки Процессы и параметры поверхностного слоя, обуславливающие обработку Изменение твердости обработанной поверхности Величина и знак остаточных напряжений в поверхностном слое, ГПа Толщина упрочненного слоя, мм Изменение предела прочности при изгибе,% Примечание

Электроискровая обработка (электроэрозионное легирование) Обработка основана на тепловом воздействии импульсных электрических разрядов, возникающих между электродом-инструментом и деталью, помещенных в диэлектрическую среду. Нет Напряжения растяжения на глубину 7030 мкм Уменьшение Имеют место трещины на глубине 8-18 мкм

Алмазное шлифование Дробление блоков мозаики, микроискажения решетки в результате давлений алмазных зерен Нет Напряжения сжатия 1,5-2,0 0,02-0,035 Увеличение на 2050 Шаржирование поверхности алмазными зернами

Доводка Доводка осуществляется с помощью мелкозернистого абразива, зерна которого свободно распределены в доводочной пасте или суспензии Нет

Вибрационная обработка Результат воздействия ударно-колебательной системы с бесконечным числом степеней свободы, на движение которой существенное влияние оказывают аэродинамические силы трения Нет Напряжения сжатия до1,4 0,1-0,15 Увеличение на 2550 Имеют место структурные изменения

Дробеструйная и гидродробеструйная обработка Нет Напряжения сжатия до1,8 До 0,4 Увеличение на 10 Увеличение износостойкости в 1,51,8 раза

Поверхностная термическая обработка Поверхностные слои инструмента нагреваются выще критических точек с созданием резкого градиента температур по сечению, после чего производится быстрое охлаждение, т.е. поверхностный слой получает полную закалку. Увеличение Нет 0,5-2.0 Увеличение на 22 Увеличение износостойкости

Лазерное упрочнение Импульсное воздействия светового пучка, отличающегося чрезвы- Увеличение мик-ротвер- Напряжения сжатия Увеличение износостойкости в 2-15

чайно высокой плотностью энергий, что вызывает локальный нагрев с последующим стремительным охлаждением дости раз, имеют место трещины

Алмазное выглаживание Процесс пластического деформирования обрабатываемой поверхности алмазным инструментом Увеличение мик-ротвер-дости на 10-40% Напряжения сжатия до1,5 на глубину 200 мкм До 0,4

Методы физического осажде-ния(конденсации ) износостойких покрытий Нанесение покрытий карбидов, нитридов хрома, титана и др. диффузионными методами, осаждение из газовой среды ионно-плазменными и электронно-плазменными методами. Увеличение мик-ротвер-дости Увеличение износостойкости в 3-5 раза

Ультразвуковая обработка пластическим деформированием Образование на поверхностях инструмента ультразвукового наклепа в результате направленного воздействия ультразвука. Увеличение мик-ротвер-дости Увеличение на 2080 Увеличение износостойкости в 1,2-3 раза

Поверхностная химико-термическая обработка Заключается в нагреве и выдержке инструмента в активных твердых, жидких и газовых средах, в результате чего направлена изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев инструментальных материалов (азотирование, цементация. цианирование и пр) Увеличение мик-ротвер-дости 0,01-0,04 Увеличение износостойкости в 2-5 раза

Упрочнение инструментов технологическим индуцированием во внешнем магнитном поле Эффект упрочнения обеспечивается за счет формирования в изнашиваемых участках регламентированного уровня благоприятных магнитострикционных напряжений при намагничивании выше насыщения. В условиях тре-щинообразования вектор магнитострикцион-ных напряжений сжатия ориентируется нормально плоскости распространения тре-щин[5]. Напряжения сжатия 0,15-0,8 0,13-0,38 Увеличение износостойкости в 1,5-3 раза

Эксплуатационные методы.

Эксплуатационные методы повышения износостойкости заключаются в подборе параметров режима эксплуатации, соответствующих наименьшей изнашиваемости рабочих частей штампа. К основным эксплуатационным параметрам, влияющим на износостойкость инструмента, относятся: характер приложения нагрузки, силы и напряжения, действующие на рабочие элементы, скорость штамповки, температура рабочих поверхностей. Ряд авторов[3] отмечает повышение стойкости штампов с увеличением скорости штамповки, объясняя это более благоприятным термомеханическим режимом работы пуансона и матрицы. Исследователями отмечен рост износостойкости штампов с увеличением температуры до определенного значения, с последующим повышением температуры сменяющийся снижением износостойкости. Таким образом, экспериментально или аналитическими методами возможно подобрать соответственно оптимальный силовой, скоростной и температурный режим работы штампа.

Литература

1. Амалицкий, В.В. Деревообрабатывающие станки и инструменты: Учебник для сред. проф. Образования / В.В. Амалицкий, В.В. Амалицкий- М.:ИРПО: Издательский центр «Академия», 2002. - 400с.

2. Зотов, Г.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента / Г.А.Зотов, Е.А. Памфилов. -М. : Экология, 1991.- 304 с.

3. Михаленко, Ф.П. Стойкость разделительных штампов. -2-е изд., перераб. и доп. / Ф.П. Михаленко. -М.: Машиностроение, 1986.-224 с.

4. Попов, Е.А. Технология и автоматизация листовой штамповки: Учебник для вузов / Е.А.Попов, В.Г.Ковалев, И.Н. Шубин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана,2000. - 480 с.

5. Пыриков, П.Г. Повышение стойкости инструментов для деревообработки. /П.Г.Пыриков. -Брянск: БГИТА,2009. - 210 с.

6. Романовский, В.П. Справочник по холодной штамповке/В.П.Романовский - 6-е изд.,перераб. и доп.-Л.: Машиностроение, 1979. -520 с.

7. Харченко, В.В. Технологии и оборудование для прессования и штамповки: учеб.пособие / В.В. Харченко, Е.М. Макушок, Ж.А. Мрочек. - Минск: Новое знание,2008.-255 с.