МУЛЬТИЛОБУЛЯРНАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ОСНАСТКА ИЗ ПОРОШКОВОГО МЕТАЛЛА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
MULTILOBULAR TOOLING EQUIPMENT OUT OF POWDER METAL AND METHOD OF ITS FABRICATION

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в общем относится к мультилобулярной инструментальной оснастке (инструментальной оснастке, имеющей множество выступающих частей криволинейной или круглой формы) для пробивки мультилобулярного углубления, например, в головке крепежного средства. Более конкретно настоящее изобретение относится к мультилобулярной инструментальной оснастке и инструментальной заготовке, которая образована из порошкового металла. Настоящее изобретение также относится к способам образования мультилобулярного инструмента из порошкового металла.
Мультилобулярные инструментальные средства, часто называемые "пробойниками", используют для пробивки мультилобулярного углубления, например, в головке крепежного средства. На фиг.1 иллюстрируется мультилобулярный пробойник 10. При его использовании головную часть 12 пробойника 10, имеющую мультилобулярный профиль, вгоняют в заготовку, например головку крепежного средства, для образования мультилобулярного углубления.
Как правило, пробойники изготавливают из стандартной инструментальной стали, например инструментальной стали М42. Инструментальная сталь по природе является очень негомогенной и, как правило, содержит крупные часто сегрегированные карбиды. На фиг.2 приведено изображение пробойника, изготовленного из инструментальной стали М42, причем изображение получено с помощью микроскопа при увеличении 400х вдоль поперечного сечения (то есть вдоль линии 2, показанной на фиг.1). На фиг.3 приведено подобное изображение, но выполненное вдоль сечения, сделанного в продольном направлении (то есть вдоль линии 3, показанной на фиг.1). Как показано, карбиды (более светлые области на изображении), многие из которых являются относительно крупными, могут образовываться вдоль любого сечения. Что касается размера, то в пробойнике, изготовленном из стандартной инструментальной стали, размер карбидов часто составляет 10-50 мкм или даже больше.
Наличие сегрегации карбидов ведет к получению твердой, хрупкой или ослабленной (разупрочненной) плоскости, в которой материал имеет тенденцию разрушаться (растрескиваться) или выкрашиваться. Вообще говоря, нежелательно, чтобы пробойник содержал крупные карбиды и сегрегацию карбидов, так как карбиды способствуют возникновению точки уменьшения прочности. Это особенно справедливо, если довольно крупный карбид случайно появляется вдоль выступающей части (криволинейной или круглой формы) мультилобулярного пробойника. В таком случае карбид может вызывать преждевременное скалывание (выкрашивание) выступающей части во время использования, как показано на фиг.4. На фиг.4 приведено изображение пробойника, изготовленного из инструментальной стали М42, причем изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) при увеличении, составляющем 35х, после того, как пробойник был использован в ряде циклов пробивки для получения мультилобулярных углублений. Не только это представляет возможную проблему, когда крупный карбид образуется на выступающей части пробойника, но эта проблема усиливается для более крупного пробойника.
В патенте США №6537487 описан способ формования детали из порошкового металла при использовании способа инжекционного формования металла (МIМ). Такой способ является относительно сложным и использует связующее. Связующее должно быть удалено во время спекания или до спекания. Конечная деталь, полученная таким способом, как правило, имеет плотность, составляющую 95-98%, уменьшенную прочность и ограниченную ударную вязкость.
СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом варианта осуществления настоящего изобретения является получение мультилобулярного инструмента или инструментальной заготовки, которые изготовлены из порошкового металла, обеспечивая в соответствии с этим то, что инструмент является очень гомогенным и содержит только мелкие карбиды.
Еще одним объектом варианта осуществления настоящего изобретения является обеспечение относительно простого способа получения мультилобулярного инструмента из порошкового металла, причем способ не требует каких-либо этапов удаления связующего до или в течение спекания.
Коротко, в соответствии по меньшей мере с одним из вышеуказанных объектов, вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает получение инструмента из порошкового металла, например из модифицированной (молибденом) порошковой быстрорежущей стали (HSS) T15, и имеющего концевую часть мультилобулярного профиля, для пробивки мультилобулярных углублений в заготовках, например в головках крепежных средств.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ получения инструмента из порошкового металла, причем инструмент имеет концевую часть мультилобулярного профиля. Способ предусматривает отрезание прутка заданной длины, изготовленного из порошкового металла, например модифицированной быстрорежущей стали Т15 (модифицированной молибденом); снятие фаски 47°/45° на обоих концах; шлифование внешнего диаметра до заданного размера; нанесение масла и экструдирование (формование выдавливанием) мультилобулярной конфигурации на одном конце среза в экструзионной головке, которая закреплена в прессе для пробивки отверстий; снятие напряжений (отпуск) детали в печи для термообработки; чеканку товарного знака (при необходимости) на детали; шлифование внешнего диаметра до заданного размера; подрезку торца до заданной длины; шевингование угла передней части; термообработку до заданной твердости; шлифование угла передней части до достижения требуемой шероховатости и длины; шлифование уступа внешнего диаметра до заданного размера и длины и полирование угла передней части до требуемой шероховатости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Организация и особенности структуры и функционирования настоящего изобретения вместе с его дополнительными объектами и преимуществами могут стать наиболее очевидными из следующего описания, сделанного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых подобными ссылочными номерами указаны подобные элементы, где:
фиг.1 - изометрическое изображение мультилобулярного пробойника;
фиг.2 - изображение пробойника, изготовленного из инструментальной стали М42, причем изображение получено с помощью микроскопа при увеличении 400х вдоль поперечного сечения (то есть вдоль линии 2, показанной на фиг.1);
фиг.3 - изображение, подобное изображению, полученному на фиг.2, но которое было сделано вдоль продольного сечения пробойника (то есть вдоль линии 3, показанной на фиг.1);
фиг.4 - изображение пробойника, изготовленного из инструментальной стали М42, причем изображение было получено с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) при увеличении 35х после того, как пробойник использовали в ряде циклов для пробивки мультилобулярных углублений в заготовках;
фиг.5 - изображение пробойника, изготовленного из модифицированной порошковой быстрорежущей стали Т15 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, причем изображение получено с помощью микроскопа при увеличении 400х вдоль поперечного сечения (то есть вдоль линии 2, показанной на фиг.1);
фиг.6 - изображение, подобное изображению, полученному на фиг.5, но которое было сделано вдоль продольного сечения пробойника (то есть вдоль линии 3, показанной на фиг.1);
фиг.7 - изображение пробойника, изготовленного из модифицированной порошковой быстрорежущей стали Т15, причем изображение получено с помощью электронного сканирующего микроскопа при увеличении 50х после того, как пробойник использовали в ряде циклов пробивки мультилобулярных углублений в заготовках; и
фиг.8 - блок-схема способа, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения, получения мультилобулярного инструмента, например пробойника.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хотя настоящее изобретение может быть реализовано в виде других вариантов осуществления, чем иллюстрируется на приведенных чертежах, в этой заявке подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения с пониманием того, что в настоящем описании необходимо рассматривать упрощение принципов изобретения и что оно, как предполагается, не ограничивает настоящее изобретение тем, что здесь проиллюстрировано и описано.
Как описано выше, фиг.2-4 относятся к пробойнику, изготовленному из инструментальной стали М42. На фиг.5-7 приведены другие виды, аналогичные видам, приведенным на фиг.2-4, но относящиеся к мультилобулярному инструменту, в частности пробойнику, изготовленному из модифицированной (молибденом) порошковой быстрорежущей стали Т15 в соответствии с настоящим изобретением. Как результат изготовления из порошкового металла пробойник является намного более гомогенным и содержит только карбиды (более светлые области на фотографиях, приведенных на фиг.5 и фиг.6), которые относительно малы по сравнению с карбидами, которые, как правило, содержатся в пробойнике, изготовленном из инструментальной стали. Как результат большей гомогенности и содержания только относительно небольших карбидов, пробойник является очень прочным и не склонным к скалыванию (выкрашиванию) или другому разрушению во время использования (то есть будучи используемым, например, для пробивки углублений в головках крепежных средств).
На фиг.5 приведено изображение пробойника, которое получено с помощью микроскопа при увеличении, составляющем 400х, вдоль поперечного сечения (то есть вдоль линии 2, показанной на фиг.1). Фиг.6 подобна фиг.5, но в этом случае изображение получено вдоль продольного сечения (то есть вдоль линии 3, показанной на фиг.1). Как показано на фиг.5 и фиг.6, карбиды (более светлые области на изображениях) являются относительно небольшими по сравнению с карбидами, представленными в пробойнике из инструментальной стали, как показано на фиг.2 и фиг.3. В частности, если карбиды, представленные в пробойнике, полученном из инструментальной стали, могут быть размером 40 микрон или более, то при условии, что пробойник изготовлен из порошкового металла, например модифицированной порошковой быстрорежущей стали Т15, размер карбидов может быть небольшим, например 1-4 микрон.
На фиг.7 приведено изображение пробойника, которое получено с помощью электронного сканирующего микроскопа при увеличении 50х после того, как пробойник был использован в ряде циклов пробивки мультилобулярных углублений в заготовке. Из сравнения фиг.7 и фиг.4 очевидно, что пробойник из порошкового металла (фиг.7) имеет только допустимый износ без скалывания (выкрашивания), тогда как пробойник из инструментальной стали (фиг.4) имеет определенное выкрашивание у выступа.
Поскольку крупные карбиды способствуют возникновению точки уменьшения прочности, а выступы мультилобулярного инструмента, например пробойника, испытывают большое механическое напряжение во время удара, то важно обеспечивать или гарантировать, что крупные карбиды отсутствуют у выступа мультилобулярного инструмента. Как правило, мультилобулярные инструменты, например пробойники, получают из инструментальной стали, которая является очень негомогенной. Изготовление мультилобулярного инструмента не из инструментальной стали, а из порошкового металла, например модифицированной порошковой быстрорежущей стали Т15, обеспечивает получение намного более гомогенной зернистой структуры. В таком случае меньше вероятности или даже нет вероятности того, что крупные карбиды будут существовать в области выступов или на одном из выступов. Как результат, пробойник является более твердым и имеет повышенную прочность и ударную вязкость и будет иметь более продолжительный срок полезной службы (эксплуатационной долговечности).
На фиг.8 иллюстрируется способ получения мультилобулярного инструмента из порошкового металла, например пробойника, показанного на фиг.5-7, соответствующий варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано, способ предусматривает: отрезание прутка заданной длины из прутковой заготовки, изготовленной из порошкового металла, например модифицированной быстрорежущей стали Т15 (модифицированной молибденом); снятие фаски 47°/45° на обоих концах; шлифование внешнего диаметра до заданного размера; нанесение масла и экструдирование (формование выдавливанием) мультилобулярной конфигурации на одном конце среза в экструзионной головке, которая закреплена в прессе для пробивки отверстий; снятие напряжений (отпуск) детали в печи для термообработки; чеканку товарного знака (при необходимости) на детали; шлифование внешнего диаметра до заданного размера; подрезку торца до заданной длины; шевингование угла передней части; термообработку до заданной твердости; шлифование угла передней части до достижения требуемой шероховатости и длины; шлифование уступа внешнего диаметра до заданного размера и длины и полирование угла передней части до требуемой шероховатости. Этот способ является относительно простым и не требует каких-либо этапов удаления связующего в противоположность способу инжекционного формования металла, в котором предусматривается обязательное удаление связующего во время спекания или до спекания. Конечная деталь, полученная, таким образом, способом инжекционного формования, как правило, является плотной только на 95-98%. В противоположность этому конечная деталь, полученная вышеописанным способом, является теоретически плотной на 100% и имеет повышенные прочность, ударную вязкость и ресурс стойкости инструмента.
Для производства прутковой заготовки из порошковой стали перед выполнением этапов получения инструмента, описанных выше, может быть использован следующий производственный процесс:
1. Расплавленный металл соответствующей композиции тонко измельчают в инертной атмосфере.
2. Результирующий порошковый металл герметизируют в большой стальной "банке", которая представляет собой стальную трубу длиной 5-6 футов (1,5-1,8 м) и диаметром 10-12 дюймов (0,254-0,3 м).
3. Загерметизированную банку размещают в прессе для горячего изостатического прессования, который прикладывает давление 100 атмосфер при температуре 2100°F (1148,9°С).
4. После горячего изостатического прессования стальная банка может быть "открыта" и из нее может быть извлечена теперь твердая и 100% плотная болванка порошкового металла.
5. Болванка порошкового металла после этого может быть обработана подобно стандартной болванке, полученной литьем.
Хотя проиллюстрированы и описаны варианты осуществления настоящего изобретения, предполагается, что квалифицированные специалисты в этой области техники без отклонения от сущности и объема этого описания могут разработать различные модификации настоящего изобретения.