Повышение надежности и долговечности штампов для разделительных операций листовой штамповки эпиламированием

Среди различных технологий обработки металлов давления листовая штамповка является наиболее перспективной. Но обеспечить высокое качество поверхности, точность размеров и безупречную конфигурацию профиля изделий возможно только с применением надежной и прочной штамповочной оснастки. Эпиламирование позволяет существенно оптимизировать механические свойства вырубных, пробивочных и разделительных штампов, а также увеличить их эксплуатационный срок, повысить производительность труда и снизить энергетические затраты.

Описание проблемы

Практика показывает, что процесс изнашивания на направляющих и режущих элементах разделительных и вырубных штампов, выполненных из конструкционных легированных и углеродистых сталей, начинает проявляться приблизительно после 400 000 операционных циклов. Дальнейшая эксплуатация такой оснастки может сопровождаться изменением нормативных размеров зазора между матрицей и пуансоном и конфигурацией деталей и, как результат, снижается общее качество изготавливаемых изделий.

Разрушение поверхностных слоев вызвано появлением усталостных трещин и молекулярной деструктуризацией металла в результате возникновения внутренних напряжений и химических изменений под влиянием окислительных процессов, постоянных ударных нагрузок, температур и трения. Также на рабочих элементах штамповочной оснастки часто отмечается:

• изменением микрогеометрии поверхности в результате фрикционного контакта;
• контактная усталость металла, вызванная трением скольжения;
• пластичная деформация вершинных пазов;
• охрупчивание поверхностных слоев;
• образование наклепа металла.

Использование смазочных материалов минимизирует вышеперечисленные факторы, но под воздействием волнового возмущения, возникающего в листовой заготовке, и критических нагрузок имеет место режим граничной смазки, а защитный слой становится менее 0,2 мкм. В таком случае сопряженные поверхности менее подвержены износу, чем при сухом трении, но из-за значительных удельных давлений, пиковых напряжений в подвижных частях штампа и растягивающих напряжений в заготовке часто происходит разрыв пленочного покрытия и даже возникают локальные очаги адгезивного схватывания металлов.

Все это приводит к снижению эксплуатационного срока штампов и требует дополнительных мер по повышению их износостойкости и долговечности. Современная наука предлагает несколько вариантов: от применения новых металлических сплавов до использования инновационных твердых покрытий, но наиболее простым и действенным методом является эпиламирование рабочих поверхностей штамповочной оснастки. Его эффективность подтверждена многочисленными практическими исследованиями и реальной апробацией в условиях действующих предприятий, осуществляющих листовую штамповку холодным и горячим способом.

Применение эпилам при обработке металлов давлением

Эпиламирование – современная технология, основанная на нанесении ПАВ, предварительно растворенных во фторуглеродном растворителе, на металлическую поверхность. После испарения анаэробных элементов композиции, эпиламы образуют мономолекулярный слой толщиной около 40 ÷ 100 А.

Особенности и преимущества

Эпиламы нетоксичны и отлично фиксируются на поверхностях с шероховатостью от Ra 0.09 мкм, образовывая прочное соединение с черными и цветными металлами и формируя надежный защитный барьер с минималистическим запасом поверхностной энергии и высокими показателями водостойкости. Таким образом, эпиламы:

• не влияют на размеры и геометрию микроструктуры поверхности;
• способствуют снижению коэффициента трения и износа пар трения;
• увеличивают срок службы и надежность обработанных инструментов и деталей.

Как правило, они наносятся уже после завершения всех производственных этапов изготовления металлоизделий, включая и термообработку, и исключают необходимость финишной механической обработки. Технология эпиламирования очень проста в реализации и может легко внедряться на предприятиях с любым уровнем оснащения.

Специфика применения

Фторсодержащие ПАВ наносятся исключительно на очищенную поверхность. Поэтому перед обработкой изделия проходят цикл обезжиривания и полного удаления следов механической обработки.

Алгоритм подготовки деталей определяется температурным режимом эпиламирования. Если используется холодный способ нанесения, то выполняют:

• обезжиривание бензином Б-70 или ацетоном Ч;
• погружение образцов в емкость с эпиламирующим композитом. Температура и длительность воздействия определяются технологами производства;
• выемку элементов разделительных штампов с последующей двухчасовой сушкой при температуре +50 ˚С.

Горячий способ является более эффективным, но требует высокой технической оснащенности. В этом случае кроме традиционного обезжиривания бензином Б-70 части штамповочной оснастки или другие детали помещают в специальную установку обезжиривания. Она представляет собой герметический резервуар с двумя или тремя рабочими емкостями из нержавеющей стали, буферной емкостью и внешней термостатической рубашкой. Изделия помещаются в буферную емкость с сетчатым поддоном, а нагретый через систему змеевиков растворитель поднимается вверх и конденсируется на их поверхности, проникая в малейшие полости и капсулы. Собравшись в крупные капли, он стекает вниз, где за счет противотока происходит удаление загрязнений. Таким образом, происходит полное очищение изделий всего за 30 ÷ 60 минут.

После этого детали остывают при комнатной температуре и переносятся в камеру для эпиламирования, оснащенную внешней рубашкой, в которую подается горячая вода. Далее емкость полностью заполняют эпиламом, так чтобы все обрабатываемые изделия были полностью покрыты, и начинают нагревать до 50˚С. По истечение 1 часа установку отключают и после понижения температуры до уровня +20˚С производят выемку деталей с последующей сушкой и термообработкой в электрическом шкафу. Величина и длительность термовоздействия соответственно составляет +100 ÷150 ˚С и 60 ÷ 120 минут.

Вне зависимости от того какой способ эпиламирования использовался, созданное покрытие отличается высокой прочностью и выдерживает давления до 3 000 МПа и воздействия температур до +400˚С. Но, главное, за счет полярной адсорбции эпиламы способны надежно удерживаться на поверхностях твердых и эластичных материалов, что позволяет использовать их для повышения износостойкости матриц и пуансонов, а также колонок и втулок штамповочной оснастки. По окончанию обработки фторсодержащими ПАВ стальные изделия, подлежащие хранению, рекомендуется смазать дизтопливом или консервационным маслом.

Лабораторные исследования

Для подтверждения эффективности эпилам в качестве противоизносного покрытия были проведены лабораторные испытания. Для этого тестовые образцы прошли исследование на машине трения модели УМТ-1 при следующих параметрах:

• сила трения: 2 ÷ 40 Нм;
• усилие прижатия: 400 ÷ 4 000 Н;
• частота вращения: 15 ÷ 3 000 об/мин.

Данная модель укомплектована моментоизмерителем электромеханического типа, тахометром, автоматическим датчиком, который отключает стенд при достижении установленного порога трения. Конструктивно установка позволяет выполнять испытания пар «кольцо/кольцо», «вал/втулка», «палец/диск» и фиксирует показания измерений через подключенное самопищущее устройство (потенциометр КСП-4).

Основные показания получены при лабораторных испытаниях на образцах из стали 40Х по схеме «вал/колонка». Тесты проводились на азотированных и термообработанных деталях при усилии прижатия в 400 Н. Было выполнено 450 000 циклов при частоте вращения шпинделя 320 об/мин. Длительность испытаний – 8 часов. За счет постоянного трения и обозначенных параметров испытательные условия превышают фактические производственные факторы, зато они позволяют реально оценить перспективность применения эпиламирующих составов в штамповочном производстве.

Для достоверности результатов измерения выполнялись на образцах без покрытия и с нанесенными эпиламами. В качестве анаэробной композиции использовался эпиламирующий состав 6СФК-180-30, характеризующийся повышенной адгезией, способностью снижать коэффициент трения почти в 5 раз и выполняющий роль гидродинамической с мазки. При его нанесении происходит процесс хемосорбции и довольно быстро формируется микроскопический мономолекулярный слой толщиной всего в несколько микрон. Образовавшееся пленочное покрытие способно выдержать нагрузки до 3 000 МПа и почти полностью исключает прямое взаимодействие трущихся поверхностей и молекулярное притяжение металлов. В итоге снижается сила трения до 8 раз, обеспечивается отличная смазывающая способность, упорядочивается износ и минимизируются коррозионные и окислительные процессы.

Результаты испытаний

Результаты лабораторных исследований показывают, что вначале приложения нагрузки поверхность тестовых образцов прирабатывается с незначительным уменьшением микроструктуры, а по мере ее увеличения нагрузки происходит стабилизация и постепенный рост сил трения. Причем образцы, обработанные фторсодержащими ПАВ, имеют параметры износа значительно ниже, чем необработанные образцы. Также испытания подтверждают, что использование эпилам на азотированных изделиях более эффективно, чем на просто термообработанных.

Выводы

Абразивный износ вызывает деструктуризацию направляющих элементов разделительных и вырубных штампов и является причиной ухудшения качества металлоизделий и снижения темпов производства. Нанесение фторсодержащих ПАВ уже на термически обработанные и азотированные конструкционные стали увеличивает износостойкость штампов более чем в 3 ÷ 5 раз. При этом использование эпилам позволяет не только повысить твердость и прочность трущихся поверхностей за счет формирования ультратонкой и сверхпрочной пленки, но и является наиболее простым способом с точки зрения технологии и минимизирует механические и энергетические потери на преодоление сил трения.