автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследования стойкости твердосплавного инструмента разделительных штампов для изготовления сложноконтурных тонколистовых деталей с целью повышения его надежности

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

МОСКОВСКИЙ СТАНКОИНСГРУМЕНГАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ МГТУ "СГАНКИН"

На правах рукошюя

чемерис евгений иванович

УД{ 621.061.2.673.01:639.538

ИССЛЕДОВАНИЯ СТОЙКОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА

разделительных штампов для изготовления сложжон-

турных тонколистовых ДЕТАЛЕЙ С ЦЕЛЫ) ПОВЫШЕНИЯ ЕГО НАДЁЖНОСТИ.

Споцпальность 05.03.05 - Процэеоы н иашшы обработки

дамвшиы.

Ав^орвфврй*

диссертации иа соискиниа утамой сватки кандидата технических йаух

Москва • 1993

Работа выполнялась на Знаыеноком заводе "Пуаноон" (бывшее НПО "Иеханика" НЭП СССР) и на кафедре АС110МД ЫГТУ "Станкин".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Степанский Л.Г.

Официальные оппоненты - Крючков U.A., доктор технических

наук, профессор, ИИП

- Ковалев В.Г., кандидат технических наук, доцент, 11ГТУ ии.Бауиана

Ведущая организация - ИГ "НПО ТШ0МА111"

Запита соотоится часо

на ааоедании опециалиаировашшго совета Д 063 Л2.01 МП У "Станкин по. адресу:

101472, коокза, ГСП, К-55, Вадковский пер., Д.За. С длооертациай можно ознакомиться в библиотеке ЫГТУ "Станкин Автореферат рааоолан /Ученый оекреадрь специализированного совета, доктор техни-

/ Г "- ■ S

чооких наук, профеооор Бубнов В.А. rffcec с^ь

ОБЩАЯ ХЛРШКРЙОГИ'А РАБОТЫ.

Актуальность работы .Одни* из уг-г.отй оовшвняя оффэктявиоста про кэюдотва тонколистовых деталей сложного контура/в дахыайам ГДОК/для раднэ электронной техиикя я приборостроения яыдатся говы-ЭЗНИ5 надежности соответствующих технологических процвсоов втамхювхх. Эсобув роль кгр&ет при этом повыпвняв надежности яврдосплавиого инструмента разделительных птытов.Ретактев этой эадмя еуцавтваино осложняется непрерывнш усложнением геометрия птемпуеких деталей,применением дня них трудно обрабатыз&гынх материалов,гопетеитан «ребова-чий к точности деталей.

Известные способы повыэення надежности твердосплавного вкстру-жнта разделительных штампов и известные резульгЛТУ еоотввтствдави: «¡следований не позволяет в достаточной пере учитывать условия отвага вки ТДСК,включая сложную конструкция соответствующих комбкнкрован-шх штампов.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с планом освоения I внедрения новой техники и технологии Знаменского завода "Пуансон" 'бывшее НПО "Механика" НЭП СССР/.

Цель работы состоит в повышении надежности твердосплавного ин-¡трумента разделительных штампов в массовом производстве ТДСК.

Научная новизна работы состоит

аниса

• в разработв» физической модели усталостного разрушения режущих кро-ок пуансонов и матриц разделительных отеыпов,

„ ОННОц

- в разработ» регрессионной модели стойкости к усталостному разру-ян!«з твердосплавных пробивных и вырубных пуансонов в комбинкрован-гх разделительных штампах,

ОННОи

а разработвв регрессионной модели износа режущих кромок теердосплав-

ьсс пуансонов и матриц коьйинкрованных разделительных штампов при

темпов*» тонколистовых деталей сложного контура, уст ано

в рвцмйвсжя методом регрессионного анализа зависимости высоты

заусенца в ТДСК,птмшуешвс твердосплавнш инструментом,от износа его режущих кромок.

Автор защищает перечисленные выше результаты, & также новые конструкции штампов ■ технологические рекомендации но соверяенст-вовагаш процессов штамповки ТДСК,разработанные на основе проведенных исследований.

Методы исследований .Теоретически» исследования выполнялись методой регрессионного и дисперсионного анализа,методом линий скольжения,методом анализа упругого равновесия тел типа клина .В экспериментальных исследованиях использовались методы математического планирования аксперяыент&.метод экспертных оценок и применялась современная метрологическая аппаратура.

Практическая ценность .Разработаны рекомендации по выбору оптимальных конструкций комбинированных разделительных штампов с твердосплавнш инструментом дня штамповки ТДОК,разработаны рекомендации по вьйору оптимальных режимов штамповки ТДСК,разработаны новы» конструкции соответствующих штампов.

Реализация работы .Результаты работы внедрены на Знаменском заводе "Пуансон"/бывшее НПО "Механика" НЭП СССР/в массовом производстве выводных рамок интегральных микросхем с годовш экономическим эффектом 20,0 тыс.руб./в ценах 1991 г./.

Апробация работы.Основныа положения и результаты работы доложены на региональной научно-практической конференции в г .Кировограде в 1989 г.,а также на заседаниях кафедры АСкОВД ЫГТУ "СТАНКИН".

Публикации.По теме диссертации опубликованы 4 статьи и получены 2 положительных решения о выдаче патентов.

Структура и обьеы работы.Диссертация состоит из введения(Четырех глав,основных выводов,списка использованной литератури/102 наш и приложения .Работа изложена на 127 страницах машинописного тексти, содержит 29 рисунков и 20 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во жсагетга обоснована актуальность работы,рассмотрена научная и празпгеаская цзнность поставленной задача.

В гясвой главе рассмотрено соврекзкнов состояние исследования с то Я кости инструмента разделительных птгатюв.Особсэ внгаижЕЭ уде-лига гакструвторско-твхводогкчзск!^ характеристике« кнструмзнта раз-дэлятодышг птекпов Д1п ЕггЕнпоикя тонколистовых деталей сложного тонтура/ГДСК/ в соответствую^ тохисдогктасяет процессам .Па литературно и протсшеинка даннш проведан екал га факторов.влидацих на стойкость твердосплавного инструмента птампов.Рассмотрены результаты кэсестнкх экспзр1ментальных и теоретических исследований нагрузок,действующих на вырубные и пробивши пуансоны и. патрицы. В результате выполненного анализа поставлены задачи исследований автора.

Во второй главе рассмотрены I» то дики исследований усталостного разругвния твердосплавных пуансонов и матриц разделительных птешюв и изложены результаты анализа условий усталостной прочности этого инструмента.Обьектои исследований являлся твердосплавный инструмент комбинированных штампов для изготовления выводных рамок интегральных микросхем.

Показано,что целесообразно различать при штамповке ТДСК два вида отказов твердосплавных,пробивных и вырубных пуансонов и ыатриц, вшванных их усталостньм разрушением :

- усталостное выкрашивание режущих кромок,

- усталостный скол по рабочим торцам.

Проведен анализ частоты появления различных видов усталостного разруления пуансонов/табл.1/.

Для прогнозирования условий усталостного выкрашивания режущих кромок инструмента разработана физическая модель сто го вида отказов.В этой модели приняты следующие предположений.К усталост-

ному рааруяенш ревущих кромок инструмента приводят циклически действувцве растягивающие напряжения вблизи кромок,вьвваннш кх юшыш аагмйом.Этот аагяв аналогичен нагибу плоского клина,на-груженного в мряят усилиями a югмбавцш моментом, которые эквивалентны иормальнш я кезательнш нагрузкам на торцевой площадке инструмента ЛСрнтнчееаой д«я разруаення стадией нагружання инструмента является стадия внедрения режущих ч»мэк а инструмент .Вре-вультате расчетов максшалшоа растягивавшее напряжен» вблкаи ре жуs»sa кромка равно

.flf -^(l + 1.4<р)-(l.I ♦ 2,3/^) , (I)

где - предел щючности разделяемого материала,^- полное отно ormuhi сужение atoro материала,^- коэффициент треши на площадка контакта.

Условием сохрамиия усталостной прочмоститрежучих кромок инструмента яаляатся неравенство

к * пРц ъ»^

м a Ñ5 & 4 ^ j ф

где среднее число циклов нагружанкя режущей кромка др ае уста лостного вшфаиивания, - пред» выносливости материала инструмента при отяулевок цуаьсфувцем растяжек», Д^- базовое число цш лов при определения величины 171 - постоянная,характерная дхя ш «•риала анотрумекта.

Аналю пркааал.что для многих твердых сплавов а высокопрочны* инструментальных сталей щш бааовоа числе циклов /V/ - Б<Ю®мож-но полагать

(Га - 0,6 • бу ;

-Г? - о f 0,0С1'б"а (2)

ь -

Характерныз виды усталостного пэдоиа рабочих кромок пробивных тсердосплагтя: пуансонов.

Таблица I.

Осиопнъгэ тгаш сочэшй пуансонов

Типовая форма сзчэния

Характеристики излома

Характерис тика сложности сечения,

РХлр

УдельныЯ вес поломок в общем обье-ив,%

о

ч5

-Ж

пр^30' *

,0 . 70о

0,5 > 4~~> 0.01

ел««

д'г (0,5 * 0,9)4 при:

0,01 < <о,5

О тки.

I * 13

к,

-г а'

V*'

•С* 20° * 45° при:

0,5 ? 1 > 0,1

6 «А»

дЦ),5 «■ 0,?)С!

I + 13

¿к

М'

«

VI

иТ

20° «■ 45°

аЦо,5 + о,?) о

1*7

. 7

'.-40® + 45°

(с,7 * 0,9) а

Примечание: р- периметр контура сечения,

площадь поперечного сечения.

где (Га- предел прочности на изгиб материала инструмента.

Для прогнозирования усталостного разрушения вырубных и пробивных твердосплавных пуансонов ю рабочему торцу были проведены эксперименты по влиянию характерных кошлрукторско-технологичес-хих факторов процесса штамповки в комбинированных лампах на мах ремонтную стойкость пуансонов.Эксперименты проводились по плану дробного факторного експеримента на двух уровнях.Регрессионные анализ опытных данных после оценки статистической значимости коэффициентов регрессия я оценки адекватности уравнения регресс» опытнш даннш приводит к следующей зависимости для числа цикло] нагружения пуансонов до их разрушения го рабочим торцам Л^

N..(о, 14-с,чз'СЩ*'.ин ♦

< м, (4;

где & - минимальная толщина поперечного сечения пуансона,

5 - толщина разделяемого материала, максимально допустимый односторонний режущий зазор в сечения пуансона с толщиной ¿7 , минимально возможный односторонний режущий зазор в том же сечении пуансона, Х,.'*- минимальный из главных моментов инерция поперечного сечения пуансона, диагИ Амщ- максмшьная я минимальная перемычки разделяемого материала,прилегающие к минимальной Толщине поперечного сечения & , С - минимальный радиус кнер; ции поперечного сечения пуансона.

Уравнение (4) получено для следующих интервалов варьирования входящих в него факторов : 0,114 4. >

У С»"" А

Опытные данные были получены при штамповке изделий из ленты

толщиной $ я О,Зин из сплава 29НК в отоетвнноы состоянии/при среднем значении (5( - 278 !Ша/ я в нагартованном состоянии/при среднем значении (У6 » 1065 ЦПа/.Для изготовления пуансонов и матриц использовался твердая сплав ВН - 15С с величиной "1900.. ...^ггОШПаЛинтаальннЯ односторонний режущий зазор составлял 0,005 до при толщина ленты для изделий 5 ° 0,Зим.

Вероятность на адекватности уравнения регрессии (4) опытным донным составляет 0,05.Коэффициент множественной корреляция составлял а ■ 0,969.

В третьей главе описаны использованные ызтодики экспериментальных исследований стойкости к износу твердосплавного разделительного инструмента и результаты регрессионного анализа полу-танкфх данных .Объектом исследований, как и в главе 2,являлсй инст-рукзнт кокбинированных штампов для изготовления .выводных рамок гнтегральных микросхем.

Была проведена экспертная оценка 13 бозмояных конструкторс-по-твхнодогических факторов процесса штамповки,влияющих на износ тсэрдосплошного разделительного инструыеита:относения режуерго зазора к толщине разделяемого материала в /ЦфакторХ5),угла наклона образующей,работего профиля матрицы к оси в угловых минутах (фактор Х^высоты калпЗругачзго пояска матрицы в шг^фахгор Х^как-сгаалыюго усилия прижима птегшуемой заготовки в /¿(фактор роховатости рабочих поверхностей пуансонов и матриц,оцзниваешй вэлкчиной в шш(факетр Хд^характеристики сложности контура ре-за/'Длр ,гдэ р - пзркметр контура, р - площадь,охватываемая контуром ре за (фактор Х^),зазора между направляющими вставками прижима н пуансона в мм(фактор Х^,длины пуансона в мы (фактор Х^,толщины разделяемого материала в ыс (фактор Х^),предела прочности разделяемого материала в МПафактор Х^средвнй скорости деформирования в С/ (фактор Х^, величины захода пуансона в окно матрицы при разделении в та (фактор Х^, среднего зазора менду ползуном пресса

- о -

и его направляэщши в ыгд (фактор Х^

Экспертная оценка показала,что фактора Хд - Х^д слодуот считать кзнге значивши,чгы осхалыша .Поэтому он» во были вкдэчэны г план дробного факторного эксперимента по юносу рэвуцих крогок ¡ш двух уровнях.

Нзварения ганоса режущих крошк пуансонов и матриц проЕОдшшс на проекторах "Оптимус - 300" и "Рекорд 600 К-3"посло изготовлен 20000 деталей .Для штамповки использовался сшциализировтшЛ ч?иес шинный пресс модели ВРА - 30 усилием ЗООкН с регулируемой частого; ходов 200-1200 в минуту .Штамповка велась в комбинированных швдщта последовательно-совмещенного типа с числом пуансонов до 60 стук.

Регрессионный анализ опытных данных после оценки статкстичзс! значимости коэффициентов регрессии и оценки адекватности уравнзнш регрессии приводит к следующей зезисшости : У = ¡5,366+ 0,15 П'ЗС, + ?.з:х1 -0,1Ь?5'ХЪ +

15)

+ 0№5'Хч-0,05-х1-0;ОШ'Х6 + 0,0015Э'Х§.

л

где одностороннее уменьшение размера поперечного сечения пуан-

5

сона после 2-10 циклов нагружений,мхм.

Приведенное уравнение регрессии одностороннего износа боковой поверхности пуансона соответствует следующим пределам изменения факторов:

/ £ X, £ /5, , X, < й,Ч (ММ), тх3 4 30 (мчиутч^

(мм), 5 * л* * г? ('/•"*

¡0,76 «,7? С"/с), ¿18 4 /06* (МП*.) .

Результаты исследований износа режущих крошк инструмента поз воляют сделать следующие выводы:

-износ боковых и торцевых поверхностей инструмента..вблизи режущих кромок возрастает с увеличением сложности контура разделения, -оптиыальнш диапазоном углов наклона образ ушцей рабочего профиля

матрицы к сси являются углы 20.'..30';при донных углах наклона наблюдалось также на12леньзое число поломок пуансонов, рая рукгиий ¡/.и1,"-ркчных вставок,а тают натаеньиес число отказов, в из ванных отходов от разделяв ¡.иго материала на зеркало цатрицы,

- максимальной высотой калибрующего пояска патрицы следует считать 1,5....2ш;превызение этой высоты значительно ускоряет износ ::знта,

- иинндольный износ наблюдается при относительном режущем зазэ^ 15... .20$;прзвылзниз этого относительного режущего зазора ы толы-:.; увеличивает необход^оз вдело перешкфэвок инструмента,ш и увеличивает кзпзб штамцуемих деталей,

- га но с реаущкх крошк пуансошв превышает износ соответствующих матриц.

Регрессионный анализ опытных данных по высоте заусенца ¡1^ на

3

деталях после изготовления партий, га 20-10 штук привода? к следующей зависимости

А

где у - величина бокового износа режущих кроцок.мкы $ - толщина изготавливаемых деталей,им Нд - высота заусенца,км

В четвертой главеизложеиы разработанные методики прогнозирования стойкости и надежности твердосплавного инструмента разделительных штампов и конструктивныэ предложения по повышению стойкости соответствующих штампов.

Разработанная методика прогнозирования вероятности безотказно;! работы инструмента до предельного износа его режущих кромок Р предусматривая т следующую оценку Р: -

.г ± Г С*/]- У 7

где ф [_,.„] - нормированная функция Лапласа для величины а скобках

[..■] • [У] - среднее значение предельно допустимого износа боковой поверхности режущей хромки инструмента,определяемое по предельно допустимой величине ааусенца на контуре детали

в соответствии с зависимостью (б) среднее значение из!юса боковой поверхности режущей кромки,устанавливаемое уравнением регрессии (б) ^-"дисперсии величин^/и у ; приближенно / • х ^ г

бед] * 0,0/• [у] , 6"д а 0,0(-д

Разработанная методика прогнозирования усталостной проч-

<9

поста твердосплавных пуансонов и матриц вклочает оценку среднего числа циклов погружения до усталостного выкрашивания режущих кромок и до усталостного разрушения пуансонов по рабочим торцам. .

На основании результатов регрессионного анализа опытных данных дб усталостной прочности пуансонов - наиболее критичных олемеито» стампов - установлена необходимость разработка таких конструкция штампов,которые уменьшает влияние погрешностей сборки штампа и погрешностей центрирования инструмента на изгн-бещие напряжения в пуансонах .В связи с этим автором разработаны две принцип>1ально новые конструкции разделительных штампов с тьердосплавным инструментом,учитывающие указанные требования.

На Рис.1 и 2 изображены принципиальные схемы предлагаемых конструкций Етаыпов.Конструктивными особенностями верхних узлов данных штампов являются:

1/отсутсгеме отдельно функционирующих деталей,входящих в верхние узлы штампа:пуанснодержателя/схема I,Рис.1/ и верхней плиты/схема 2,Рис .2/,в первой схеме пуансона держатель выполнен заодно с верхней плитой,во второй - сьемник,

¡¿/значительное уменьшение длины пуансонов/на 30-40%/ по сравнению с обычными исполнениями исследуемых штампов и других аналогов, З/гат.гчиз основного и дополнительного упругих элементов в штам-

Рио.1.Штамп е оптимальной конструкцией верхнего узла. Схема I. 1-сьемник;2 - основной упругий элемент ;3 - пуансоны; 4 - верхняя плита;5 - упорная плита;6 - прокладка;? -хвостовик; 8 - дополнительный упругий элемент.

Рис .2 .^тдкп с оптимальной конструкцией верхнего узла.

Схема 2.1- сьемнкк;2 - верхняя плита;3 - дополннтель-шгД упругий элеыент;4 - дополнительные направляюще; Ь - про1иедка ;6 - пуансонодержатель;? - основной упругий зг.с^ент ; 8 - СОТС ;9 - пуансоны.

- 13 -

па .Основной упругий элемент имеет толщину 6-8 ьы,из готовлен из резины средней твердости и расположен как и у обычных исполнениях - между пуансвнодержателем я съемником,дополнительна упругий элемент тоет толщину 2,5 - 4 ш,изготовлен из резины ювыпвнной твердости и расположен между плоскостью фланца хвостовика к верхней; плитой/схема I/ жди м*жду верхней плитой ж прокладкой пуансонодержателя/схема 2/, 4/"плаваощ8е" расположение пуансо но держателя благодаря отеутст-вио жесткого стыка между прокладкой пу ал со но держателя и нижней плоскостью верхней плиты/схема 2/,

5/увелкчекная длина направления пуансонов в съемнике - до 2/3 их длины к их "плаваю ере "положения благодаря наличио смазки между пуансонами и окнами сьемника/схема2/.

- 14 -

зшючше и ьшзда.

1 .На основании анализа литературных и производственных данных в работе показана актуальность решения проблемы повышения стойкости твер-дэснлавшго инструмента разделительных ютампов для изготовления тон колистоиьсс деталей сложного контура.

2 .Проведанная классификация видов усталостного разрушили твердосплавного инструмента разделительных штампов позволяет уточнять оценки

стойкости инструмента.

3.Анализ условий усталостного выкрашивания режущих кромок пуансонов и

матриц разделительных штампов показал,что причиной этого разрушения является циклическое воздействие на кромки инструмента высоких растя гивамздк напряжений .Эти напряжения вызваны локальным воздействием кэ тактных давлений и сил трения в начальный момент внедрения режущих кромок в деформируемый материал.

4.Полученная оценка максимальных растягивающих напряжений вблизи реку щей кромки инструмента позволяет с помощью условия сохранения ее усталостной прочности теоретически прогнозировать среднею стойкость кн струмонта до усталостного выкрашивания.

Ь .Проведенный регрессионный анализ показал,что стойкость твердосплавньс пробивных и вырубных пуансонов к усталостному сколу определяется еле-дующими основнкми факторами:отно2юнием предела прочности разделяемой материала к пределу прочности на изгиб материала инструмента,отношением минимальной ширины сечения пуансона к толцине разделяемого материала,отношением максимально возможного одностороннего режущего зазора к минимально возможному в сечении пуансона минимальной ширины, о ты шением главного минимального момента инерции поперечного сечения пуш со на к минимальной ширине его сечения в четвертой степени, отношением минимального радиуса инерции поперечного сечения пуансона к минимальной ширине его сечения,отношением максимальной к минимальной перемычек разделяемого материала,прилегающих с обеих сторон к указанному сечонию пуансона.

6.Полутанное уравнение линейкой регрессии стойкости пуансонов к усталостному сколу на перечисленные воомущающт факторы позволит прогнозировать межрешитнул стойкость сложно контурных пуансонов на стадии их проектирования.

7.Наиболее значимьыи факторами,влияющими на износ твердосплавного инструмента сложного контура являются:угол уклона рабочэго профиля вставок матрицы,толщина материала заготовки,предал прочности материала заготовки,высота вертикального гюясиа профиля вставок матрицы,скорость деформирования»отношение квадрата периметра разделяемого контура к площади сечения,охватываемого этим контуром,умноженной на 4\Г,режущий зазор.

8.Установленная регрессионным анализом зависшость износа режущих кромок твердосплавных пуансонов и матриц разделительных штампов о* основных конструктивно-технологических факторов позволяет оптимизировать виЗор этих факторов по условиям износа.

9 .Установленная регрессионным анализом зависимость высоты заусенца по контуру деталей,штампуемых в твердосплавных разделительных штампах от износа режущих кромок инструмзнта, позволяет прогнозировать стойкость твердосплавного инструмента.

10 .На основании результатов проведенных исследований предложены конструктивные и технологические решения,повышающие стойкость исследуемых штампов между поломками и переточками инструментов: а/рекомендации по параметрам геометрии вставок матриц,величинам

режущих зазоров,скорости деформирования; б/оптимальныэ конструкции верхних узлов исследуемых штампов.

Основные положены диссертации опубликованы в работах:

I .Чемерис Б.И .Пути повмоенжл отоЯкости твердосплавных штампов для юготовлеикя выводных рамок интегральных микросхем.Материала иаучно-практической конференции.-Кировоград, 1989, Часть 1,с.22-24.

2.Чемерис £. И .Твердо сплавные штампы для изготовления тонколистовых деталей сложного контура и пути оптжизацни их стойкости. "Куанечно-штамповочное производство" .1991, с.35-37.

3.Чемерис Е.И.Оптлмжзация ресурса стойкости твердосплавных разделительных штампов."Вестник машиностроения".1991,*7,с.60-63.

4 .Сте панский Д .Г. .Чемерзс Е .И .Усталостная щючность режуща кромок вцэубных ж пробивных пу ад оо нов ж матркц. "Кузне чно-штамповочное про «во дотво".1992,18, с.7-в.