13.04.2018

Критерии стойкости деталей штампов


Важнейшим критерием, комплексно оценивающим рациональность конструктивного исполнения и свойства материала в определенных условиях работы инструмента, является его стойкость.

Несмотря на специфические особенности, присущие технологическим процессам ХОШ и ПГОШ, условия эксплуатации штампов в обоих случаях характеризуются рядом общих признаков. К ним относятся: циклическое изменение во времени напряжений и температуры, которые достигают значений, близких, а иногда и превышающих по величине соответствующие ресурсы инструментальных сталей по прочности и теплостойкости. Возникновение значительных температурных градиентов в теле инструмента для ХОШ, являющихся следствием относительного перемещения значительных объемов деформируемого металла, отмечают многие исследователи.

В общем случае оценка стойкости деформирующего инструмента включает следующие этапы: выявление причин выхода инструмента из строя; создание физических детерминированных моделей выхода инструмента из строя; разработка вероятностных моделей выхода инструмента из строя; расчет стойкости инструмента по разработанным моделям.

В известных классификациях видов разрушения штампов основными являются:

- для штампов горячей и полугорячей объемной штамповки - образование трещин, связанных с малоцикловой и термомеханической усталостной прочностью; необратимая пластическая деформация и износ;

- для штампов холодной штамповки - образование трещин, связанных с малоцикловой усталостной прочностью; объемная пластическая деформация и износ.
На рис. 4.64 приведена классификация основных видов разрушения штампов ПГОШ, в основе которой лежит схема, предложенная Л.Б. Аксеновым. Классификация справедлива и для штампов ХОШ за исключением видов разрушения, связанных с пластическим смятием кромочных элементов, выделенных пунктиром. Виды разрушения разделены на поверхностные и объемные в связи с тем, что физические условия работы приповерхностных слоев и основного металла инструмента различны. Следует отметить, что между всеми видами разрушения существует тесное взаимодействие. При эксплуатации прессовых штампов экспериментально установлена доля в процентах каждого вида разрушения. Так, например, пластическое смятие составляет 10; износ - 15; разгарные трещины - 15; комбинированные виды разрушения - 55 %.

Величина и характер распределения возникающих в инструментах напряжений зависят, главным образом, от конструктивных особенностей инструментов и значений удельных сил. При изготовлении осесимметричных деталей применяют инструменты сравнительно простой конфигурации, характеризующейся небольшим количеством участков, способных служить эффективными концентраторами напряжений.

Детали типа пуансонов и выталкивателей работают в условиях сжатия (одноосного или неравномерного всестороннего) и продольного изгиба. В местах концентрации (торцы, участки сопряжения рабочих и посадочных поверхностей) локальные напряжения могут превышать значения средних удельных давлений, что способствует преждевременному выходу штамповых инструментов из строя.
Причиной выхода из строя тяжелонагруженных инструментов при ХОШ и ПГОШ может являться хрупкое разрушение вследствие случайных перегрузок, возникающих даже при незначительном отступлении от технологии. На рис. 4.65 показан контрпуансон для полугорячего прямого выдавливания корпусов буровых коронок с разрушенным рабочим участком при штамповке опытно-промышленной партии поковок. Усталостное разрушение пуансонов, выталкивателей, контрпуансонов и матриц при ХОШ и ПГОШ - одна из основных причин выхода их из строя. Наиболее нагружены обычно пуансоны.
Рис. 4.66 подтверждает наличие продольных трещин, начинающихся чаще всего на рабочих торцах пуансонов. Поперечные трещины, как правило, образуются в области перехода от рабочего участка к посадочному. Также возможно образование трещин со смешанной ориентацией в указанной области перехода.

Л.Г. Степанским предложена методика для оценки растягивающих напряжений, приводящих к перечисленным видам разрушения. При принятых предположениях статически допустимые максимальные растягивающие напряжения в пуансоне, приводящие к продольным трещинам, могут быть оценены следующими выражениями:

вблизи рабочего торца
вблизи области перехода от рабочего участка к посадочному
где v - коэффициент Пуассона; р - средние удельные силы на торец пуансона, МПа; d - диаметр рабочей части пуансона, м; Dп - диаметр опорной части пуансона, м.

К образованию поперечных трещин в пуансонах приводит совместное действие остаточных осевых растягивающих напряжений и растягивающих напряжений, возникающих в пуансонах при их обратном ходе. Анализируя условия образования пластической области материала пуансона в его поверхностных слоях из-за изгиба, вызванного внецентренным нагружением, пренебрегаем концентрацией осевых напряжений и искажением плоских поперечных сечений. При этом суммарные осевые растягивающие напряжения, действующие в поверхностных слоях пуансонов в начале обратного хода, оцениваются равенством:
остаточные осевые растягивающие напряжения, возникающие в области перехода от рабочей части к посадочной, если из-за концентрации сжимающих напряжений в момент первого нагружения развивается пластическая деформация;
остаточные осевые растягивающие напряжения, возникающие в поверхностных слоях пуансона, если из-за изгиба пуансона, вызываемого его внецентренным нагружением, развивается пластическая деформация;
максимальные осевые растягивающие напряжения в пуансоне при обратном ходе; ех - смещение оси действия нагрузки деформирования относительно оси пуансона, м; у - отношение наибольшей растягивающей силы, действующей на пуансон при его обратном ходе, к силе деформирования; os - условный предел текучести материала пуансона при испытании на сжатие, МПа;
коэффициент концентрации напряжений, вычисляемый при условиях
r - радиус скругления переходной области пуансона, м. Растягивающие напряжения в опасной для разрушения внутренней области цилиндрических матриц оцениваются по формуле:
где q - постоянное по высоте давление со стороны деформируемого тела, МПа; рн - постоянное давление на внешнюю поверхность, которое создается в результате напряженной посадки матрицы в бандаж; D - внешний диаметр бандажа, м; d и dм - внутренний и внешний диаметр матрицы соответственно, м.

Стойкость пуансонов и матриц оценивалась по условию малоцикловой прочности. Среднее число циклов нагружения инструмента до его разрушения:

для цилиндрических пуансонов
при предположении равенства интенсивности относительных деформаций е средней по модулю величине относительных осевых деформаций пуансона на рабочем участке:
E - модуль упругости, МПа;

для цилиндрических матриц:
если принять, что интенсивность относительных деформаций на внутренней поверхности цилиндрических матриц равна относительной окружной деформации
Величина средних за цикл нагружения инструмента максимальных растягивающих напряжений om может быть вычислена:
Коэффициент концентрации окружных растягивающих напряжений:

Kо2 = 1 - для плоских и плоскоконических рабочих торцев пуансонов и цилиндрических матриц;

Kо2 = 1,5 - для рабочих торцов пуансонов с выступами; для комбинированных матриц, имеющих цилиндрический рабочий участок. Коэффициент концентрации окружных растягивающих напряжений в пуансонах в области перехода от рабочего участка к посадочному с радиусом скругления r определяется:
Из большого числа механизмов, предложенных для объяснения протекающих процессов в материале инструментов, предпочтение следует отдать представлениям, согласно которым стадии развития усталостной повреждаемости обусловлены образованием дислокационных скоплений и их последующим сминанием.

Возникновение в процессе объемной штамповки значительных температурных градиентов по сечению инструмента, а также циклический характер теплового воздействия в сечении с циклически изменяющимися напряжениями способствуют значительному увеличению скорости диффузионных процессов и существенно ускоряют тепловое разупрочнение материалов инструментов.

Термические и фазовые напряжения, возникающие в поверхностном слое, а также возможное резкое изменение физических свойств материала под воздействием указанных факторов определяют износ (истирание), механизм которого по существующим представлениям включает: образование адгезионных механических связей между инструментом и обрабатываемым металлом на площадках физического контакта, пластическую деформацию этих связей, их разрушение и вынос продуктов разрушения из зоны контакта. Адгезионные металлические связи образуются на контактирующих поверхностях, покрытых окисными пленками, после разрыва химических связей между металлом и кислородом. Разрыв происходит в результате активации поверхностных участков в зоне контакта, источником которой является работа пластической деформации микронеровностей, поскольку она генерирует дефекты кристаллической структуры.

При полугорячей деформации, предшествующей разрушению адгезионных связей, наряду с дислокационным механизмом разрушения действует диффузионно-вакансионный механизм, что значительно расширяет область разрушения и выноса продуктов разрушения.

Сопротивление адгезионному износу штамповых сталей как для процессов ПГОШ, так и ХОШ, несмотря на специфику эксплуатации, прямо зависит от таких факторов, как поверхностная твердость; высота микронеровностей после механической обработки и др.

Объем материала инструмента, удаляемый в ходе адгезионного износа за время tд скользящего контакта с деформируемым металлом, определяется выражением:
где b - толщина слоя, из которого выносятся продукты разрушения адгезионных связей (среднее значение b = 2,5*10в-8 м; v - скорость скольжения обрабатываемого металла по инструменту; В - ширина номинальной площадки контакта в направлении, перпендикулярном скорости 9 ; n - относительная доля областей пластического смятия поверхностных микронеровностей обрабатываемого металла, на которых возникают адгезионные связи в номинальной области скользящего контакта n = 1, так как среднее значение нормальных удельных давлений деформируемого металла на кромочный элемент инструмента превышает предельную величину, допускаемую несущей способностью микровыступов этого металла.

Оценка средней стойкости инструмента до наступления предельного износа при штамповке на прессе имеет вид:
Величины osm и os* соответствуют средним температурам нагрева поверхностного слоя инструмента за среднеэффективное время контакта с материалом заготовки tэ = 2/3 tд:
где Tс - средняя температура поверхностного слоя инструмента в ходе скользящего контакта, которая определяется:
Здесь Tм и Tо - соответственно температуры металла штампуемой заготовки и инструмента перед началом контакта; Л и а - теплопроводность и температуропроводность металла инструмента; а - коэффициент теплообмена между штампуемой заготовкой и инструментом; Tр - температура начала интенсивного разупрочнения металла инструмента; s - характерная постоянная для материала инструмента; от - условный предел текучести материала инструмента в исходном перед его эксплуатацией состоянии; А - предельно допустимое уменьшение поперечного размера инструмента, формирующего полость в поковке, либо предельно допустимое увеличение поперечных размеров полости матрицы.

Экспериментальные данные по износу рабочих деталей штампа для ПГОШ головок торцевых ключей, изготовленных из стали 40Х, представлены в виде графиков на рис. 4.67, 4.68.
Горизонтальные штриховые линии на графиках соответствуют нижней и верхней границам допуска на изменение размеров. Первый период работы сопровождается увеличением размеров инструмента. При дальнейшей эксплуатации размеры уменьшаются и их значения выходят за нижнюю границу допуска. Такому износу подвержены пуансон и матрица.

При работе 12-гранного контрпуансона в условиях ПГОШ наблюдается возрастание размеров, обусловленное пластической деформацией поверхностных слоев рабочих кромок. Такое изменение размеров инструмента иллюстрирует график на рис. 4.69.

Пластическая деформация считается разрушением, если ее величина, в том числе и накопленная за несколько штамповочных циклов, такова, что обусловленное ее влиянием искажение геометрии инструмента превосходит допустимую величину. Это обстоятельство приводит к необходимости оценки интенсивности пластического смятия кромочных элементов инструмента.

Среднее число нагружений инструмента до выхода его из строя из-за чрезмерного пластического смятия кромочных элементов:
где [е] = min(e1, е2) - предельно допустимая интенсивность пластических деформаций, накопленных в поверхностном слое кромочного элемента,
где r - начальный радиус кромочного элемента; R - предельно допустимый радиус кромки после ее пластической деформации; е2 - 1,0...2,0 -величина больше для материалов, у которых высоки и теплостойкость, и пластичность; ek - оценка интенсивности пластических деформаций, накопленных в поверхностном слое рабочей кромки за одно нагружение.

При малых значениях средней интенсивности скоростей деформации ё и средней интенсивности накопленных деформаций в приповерхностном слое е: ё < 0,1 с_1 и е < 0,01 - интенсивность пластических деформаций предложено оценивать:
напряжения текучести поверхностного слоя описываются зависимостью
где T > Tр; e'0 и е0 - базовые значения интенсивности скоростей деформаций и накопленных деформаций при механических испытаниях металла инструмента; u = 0,35...0,5 - фактор трения.

При ё > 0,01 с-1 и е > 0,01
где m, n - постоянные скоростного и деформационного упрочнения, характерные для материала инструмента; tд - полное время деформирования кромочного элемента; tp - время нагрева поверхности инструмента до температуры начала интенсивного разупрочнения металла:
где с - постоянная величина; с = 1,0 при R > А и с = 1,5 при R < А.

Конечная температура нагрева поверхностного слоя рабочей кромки инструмента Tк в ходе скользящего контакта за время tд вычисляется по формуле:
Вычисленная температура незначительно отличается от температуры поверхности контакта инструмента с нагретым деформируемым металлом в пределах некоторого высоко нагретого слоя, толщина которого может быть определена:
Среднеинтегральную величину напряжений текучести деформируемого металла можно вычислить на основе максимального значения разности нормальных давлений со стороны деформируемого металла, перемещающегося на этот участок, и от него р1 и р0 соответственно:
верхняя оценка разности нормальных давлений:
В связи с особенностями термического нагружения и микрогеометрии контактной поверхности на ней появляется сетка трещин. Как правило, разрушение инициируется в поверхностном слое толщиной до 0,1 мм, при этом зона разрушения не распространяется глубже, чем на 3 мм. В результате растрескивания поверхности инструмента образуется ячеистая конструкция, которая оказывается менее напряженной, чем сплошной материал. Измельчение сетки разгарных трещин может происходить до определенной величины ячейки, определяемой пределом упругости материала, так как при меньших напряжениях циклическая прочность материала достаточно высока.

Напряженное состояние инструментов под действием температурной нагрузки таково, что почти во все моменты температурного цикла главные напряжения действуют по нормали к поверхности штампового инструмента, при этом главные растягивающие напряжения действуют параллельно поверхности. Это является причиной того, что трещины термомеханической усталости растут перпендикулярно поверхности инструмента. При всестороннем сжатии трещины прорастают зону интенсивного термического нагружения и тормозятся, поскольку с измельчением и углублением сетки трещин уменьшаются нагрузки, вызывающие их рост. При этом сетка трещин имеет приблизительно одинаковый размер ячейки и глубину, определяемую глубиной циклического температурного воздействия, за исключением зон термошокового разрушения, где эта величина может быть больше.

При напряженном состоянии растяжения-сжатия наблюдаются отдельные трещины, глубина которых значительно больше глубины регулярной сетки. Скорость роста трещины в поле циклических растягивающих напряжений увеличивается с увеличением глубины трещины и поверхностное разрушение может перейти в объемное.

Напряженное состояние матриц для выдавливания характеризуется наличием высоких растягивающих напряжений. Трещины в этих условиях возникают довольно быстро, но если сетка носит регулярный характер, то она более устойчива в поле растягивающих напряжений, по сравнению с единичными трещинами.
Одним из эффективных путей повышения стойкости штамповой оснастки является применение водоохлаждения. Интенсификация теплового стока на охладитель сопровождается уменьшением зоны термического влияния при увеличении перепада температур в поверхностных слоях инструмента. Так, подвод охладителя к поверхности штампа, изготовленного из стали 4Х5МФС, на расстояние 15 мм сопровождается уменьшением температуры на поверхности штампа на 283 К и увеличением перепада температур на глубине до 1 мм до 463 К. Изменение температурного поля приводит к изменению уровня напряжений в контактных зонах инструмента.

Результаты исследования трещин термомеханической усталости, приведенные на рис. 4.70, свидетельствуют о том, что приближение уровня охладителя к исследуемой поверхности (в пределах 4...14 мм) приводит к снижению количества циклов до возникновения трещин (N циклов) при одновременном увеличении их количества (и, шт/см) в 3...5 раз и значительному уменьшению их глубины (H, мм).
Локализация большого количества трещин в пределах поверхностного слоя обусловливает медленное (в сравнении с глубокими единичными трещинами, полученными при удалении охладителя на 14 мм) их развитие, что связано с релаксацией концентраций напряжений. Глубина трещин, являющаяся основным критерием для оценки работоспособности штампов по термомеханической усталости, практически не изменяется при подводе охладителя ближе 10 мм к поверхности.

Однако при недостаточной толщине стенки пуансона может произойти его разрушение под действием механических нагрузок. Исследования водоохлаждаемых пуансонов для обратного выдавливания показывают, что оптимальной толщиной стенки является интервал 19...23 мм. В этом случае, как видно из рис. 4.71, стойкость максимальна.

Объемное разрушение является наиболее нежелательным видом разрушения, поскольку создает опасность для обслуживающего персонала. Почти единственными способами избежать этого вида разрушения являются правильный выбор штампового материала и его термической обработки, обеспечивающие повышенные показатели вязкости в сочетании с предварительным нагревом инструмента до температур 373...473 К, что улучшает условия работы как поверхностного слоя, уменьшая в нем температурный градиент, так и основного металла рабочих деталей штампа.





Яндекс.Метрика