автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной стойкости вырубных штампов методом лазерного упрочнения

и 5 9 ? .

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ школы

и технической политики российской федерации

московский

ордена октябрьской революции и ордена трудового красного знамени институт стали и сплавов

УДК 621.7/9:621.375.826 На прапах рукописи

Ахмед Абд-Эль-Монем Юсеф

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ВЫРУБНЫХ ШТАМПОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ

Специальность 05.03.05 — «Процессы и машины обработки металлов давлением»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре машин и агрегатов металлургических предприятий Московского ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени института стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ВЕРЕМЕЕВИЧ А. Н.

Научный «онсульгаит: доктор технических наук, профессор СМИРНОВ О. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ЩЕРБА В. Н., кандидат технических наук, ст. н. с. ИВАНОВ 10., Н.

Ведущее предприятие: Арендное общество «Метровагонмаш»

Защита состоится « /7 » июня 1992 г. в 9 час. 30 мин. на заседании специализированного совета К.053.08.02 по присуждению ученых степеней в области обработки металлов давлением в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени института стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан « » мая 1992 г.

Справки до телефону: 236-99-50

Ученый секретарь специализированного совета

профессор Н. А. ЧИЧЕНЕВ

гтЕЕяги?

..и» зтаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ'

Актуальность работы. Решение задачи повышения эффективности и интенсификации производственных процессов, а также экономии использования металлов, в значительной степени зависит от уровня развития и 'совершенства технологии и оборудования для обработки металлов давлением, различные способы которой широко применяются в машиностроении и металлообработке при изготовлении до 80 % различных деталей. Гак как технико-экономические показатели штамповки и качество готовых изделий в значительной мере определяются надежностью и долговечностью штамповой.оснастки, то проблема повышения эксплуатационной стойкости штампов, в том числе и штампов холодного деформирования металла, является актуальной научной и практической задачей.

Данная работа является частью совместных исследований, выполненных в Московском институте стали и сплавов и Научно-исследовательским центром технологических лазеров АН Российской федерации в соответствии с координационным планом Академии наук на 1986-1990 г.г. (направление 2.25., раздел 1.1. "Развитие научных основ обработки металлических материалов с использованием высокоинтенсивных физически, химических и механических факторов воздействия на твердое тело в непрерывном и импульсном режимах с применением низкотемпературной плазмы, электронного луча, луча лазера, элоктроэррозии, процесса анодного растворения металла при. сверхвысоких плотностях тока, ударного воздействия и высокого гидростатического воздействия").

Цель работа. Повышение эксплуатационной стойкости вырубных штампов холодного деформирования за очег разработки и внедрения технологии их лазерного упрочнения.

Научная новизна. Уточнены закономерности фармировання поверх-носгногб слоя штатов холодного деформирования, изготовленных из углеродистых и легированных сталей, после их лазерной закажи без оплавления поверхности. Используя методы математического планирования эксперимента, разработана статистическая модель, которая

позволяет определить глубину закалки вырубных штампов из стали У8 4 «

в зависимости от скорости и мощности лазерной обработки. Предложена обощонная зависимость относительной глубины закалки от комплексного безразмерного показателя лазерного излучешя, основанная на использовании теплофизических характеристик обрабатываемого материала и безразмерных параметров лазерной обработки. На основе_ экспериментальных исследований определены параметры шероховатости поверхности после лазерной закалки Се? оплавления, и установлена связь комплексного показателя шероховатости с эксплуатационными характеристиками вырубных; штампов холодного деформирования. Разработана и реализована на персональном компьютере математическая модель теплового состояния пуансонов вырубных штампоа, которая позволяет определить температурные условия их работы на любой стадии процесса штамповки. ■

Практическая ценность. Разработан комплексный технологичес-,кий процесс лазерного упрочнения Еырубных штампов холодного деформирования, изготовленных из углеродистых (У8, УЮ) и легиро- . ванных (9ХС, Х12М, 5ХВ2С и ЭИ161) инструментальных сталей. Даны

рекомендации по применению энергопоглощавдих покрытий, используемых при лазерной закалкз инструментальных сталей, и по расположению лазерной дорожки на рабочей поверхности вырубного штампа.

Реализация работы в промышленности. Разработанный технологический процесс лазерного упрочнения вырубных штампов принят к внедрению производственной фирмой "Арма" (г.Москва). Предложенные режимы лазерной закалки заложены в разработанную технологию производства штампов холодного деформирования и оснастки' на Магнитогорском калибровочном заводе.

Апробация расоты.Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на семинаре "Новые материалы, технология, автоматизация в холодноштамповочном производстве" в'г. Пензе, 1991 г.; на семинаре специалистов промышленности и научных сотрудников Зль-Таббинского металлургического института в г. Каире (АРЕ) в 1991 г.; на научных семинарах кафедры "Машины и агрегаты металлургического производства"■ Московского института стали и сплавов в 1991 и 1992 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 научных работы. -

Объем работы. Диссертация изложена на 103 листах машинопис-'ного текста и состоит из введения, шести глаз, общих выводов, списка литературы, включающего 95 наименований, и приложения; содержит 45 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАООТЫ I. Состояние вопроса, цели и задачи исследования.

Значительная часть расходов, связанных с получением деталей методом штамповки, приходится на изготовление и ремонт шт,. .илового инструмента. Поэтому повышение эксплуатационной стойкости штампов является радикальным средством снижения себестоимости выпускаемой продукции и увеличения производительности труда.

. Повышение работоспособности технологического инструмента для холодного деформирования, в том числе вырубных штампов, обеспечивается правильным выбором сталей и термической обработки, в качестве которой в настоящее время применяются объемная закалка, химико-термическая обработка, вакуумное ионно-плазменное нанесение износостойких покрытий, '.поверхностное упрочнение висококон-цеятрированныш источниками энергии.

Из литературных данных известно, .го эксплуатационная стойкость ктампового инструмента, прошедшего объемную закалку с отпуском, не всегда удовлетворяет требованиям производства из-за сравнительно низкой твердости рабочих поверхностей штампов. Основным недостатком химико-термической обработки, ьрименяемой для упрочннения штампов (цементация, азотирование, борирование'и др.) является повышенная хрупкость упрочненного слоя, в результате чего штампы выходят , из строя, по причине выкрашивания рабочих Кромок. Широкое применение получил штемповый инструмент с покрытием на. основе нитрида .титана, но при этом достигается очень маленькая глубина упрочнения.

Лазерная обработка деталей мяоин и инструмента является одной из эффективных упрочняющих технологий, которан осуществляется как без сплавления, тек и с оплавлением поверхности, а также с дополнительным введением легирующих элементов (лазерное легировиш). Высокие скорости нагрева и охлаждения, характерные для лазерного воздействия и недостижимые при других видах обработки, прив.дят к изменению кинетики и морфологии фазовых превращений в сталях. Поэтому исследование и разработка процесса лазерного' упрочнения штампов холодного деформирования является актуальной научной и практической задачей.

Несмотря на обилие публикаций, посвященннх лазерной обработке' металлов, нет достаточных сведений о закономерностях формирования физико-мехаг'-ческих и эксплуатационных свойств поверхности закаленных непрерывным лазерным излучением инструментальных сталей. Недостаточны и противоречивы сведения о влиянии лазерной закалки на шероховатость поверхности. Характеристики лазерноупрочнениого слоя являются особенно важными для тех инструментов и деталей, которые в процессе эксплуатации подвергаются одновременно значительным динамическим нагрузкам, износу и, возможно, нагреву. . •

В связи с вышеизложенным в диссертации поставлены следующие задачи:

Г. Уточнить закономерности формирования поверхностного слоя штампов холодного дефэршрования, изготовленных из > .'леродистых и легированных инструментальных сталей.

2. Разработать математическую модель, позволяющую определить глубину закажи вырубных'штампов в зависимости от .параметров лазерной обработки.

3. Исследовать влияние лазерной закалки на параметры шерохо-атости поверхности и установить их. связь с эксплуатационными

характеристиками вырубных штампов холодного деформирования.

4. Разработать математическую модель теплового состояния пунсонов' вырубных штампов и исследовать температурные условия их эксплуатации.

5. Дать рекомендации по применению внергопоглощащих покрытий используемых при лазерной закалке углеродистых и легированных инструментальных сталей.

6. Разработать и внедрить технологию лазерного упроч. ния

вырубных штампов холодного деформирования. »

2. Методика проведения экспериментальных работ.

• Для исследования были выбраны следующие марки сталей, как наиболее 'часто применяемые для изготовления штампов и штамповой оснастки : У8, УЮ, 40ХН2МА,' XI2М. 5ХВ2С. 9ХС, ЭИ161.

Лазерную обработку образцов и опытных партий вырубных штампов проводили на лазерных технологических комплексах ТЛ-1,5, МТЛ-2, и ТЛ-5М. В качестве поглощающих покрытий использовали специальные химические соединения, разработанные ШИТАвтопром и НЩТЛ АН : ЩС-510, СГ-504, 0С-1М, СФ-505, "Луч-1", фосфат марганца; толщина поглощающий покрытий составляла 25...30 мкм. При лазерном легировании использовали порошок хрома, серийно выпускаемый промышленностью, а в качестве связующего впервые использовали поглощающее покрытие "Луч-1".

Микроструктуру упрочненных лазером слоев изучали с помощью микроскопа "Неофот-21" при увеличении в 50...2с00 раз. Микротвердость определяли при помощи микротвердомера ПМТ-3.

Распределение легирующих элементов по глубине слоя, е также равномер гасть распределения углерода определяли на электронном сканирующем,, микроскопе с приставками-спектрометрами "Саизоап". Определение кож ¡ества' остаточного аустенита проводили с помощью рентгеноструктурного анализа на дифрактометрэ "Дрон-ЗМ".

Испытания на износостойкость в условиях сухого трения проводили методом истирания прорези на плоской поверхности образца, прижимаемого к цилиндрической абразивной поверхности вращающегося диска ; относительную износостойкость поверхности упрочненного материала оценивали путем сравнения с износостойкостью эталонного материала.

Теплостойкость стали после лазерной обработки определяли измерением твердости после нагрева до температур испытаний и охлавдения. Нагрев образцов осуществляли в высокотемпературной установке УВД-2000 до температур 200, 300, 400, 500, 600 700 °С.

Параметры шероховатости поверхности определяли с помощью профилографа-профилометра "КалиСр-253".

3. Влияние параметров лазерного излучения на глубину закаленного слоя.

При лазерной обработке инструментальных сталей различные слои металла нагреваются до разной температуры, и поэтому зона лазерного воздействия имеет слоистое строени?. Многочисленными

экспериментами по исследованию микроструктуры и по измерению микротвердости в зоне лазерного воздействия установлено, что при ..азерной закалке углеродистых и легирова:пшх инструментальных сталей без оплавления поверхности можно выделить два различных по природе фазовых превращений слоя. Первдй из них соответствует зоне лазерной закалки из твердой фазы, в котором имеет м 1то как полная так к неполная закалка ; нижняя граница первого слоя определяется нагревом металла до критической точки Ао1. Структура этой зоны вблизи поверхности содержит мартенсит и остаточный аустенит, полученный из области гомогенного аустенита, а по мере удаления от поверхности появляются элементы исходной стру..урц металла, полученные из области негомогенного аустенита. Второй слой-'- ато, переходная зона, .которая образуется при нагреве металла ниже критической точки Ао1.

Глубина Ь закаленного слоя, под которой понимают суммарную толщину первого и второго слоев зоны лазерного влияния, является вджной эксплуатационной характеристаг'ой вырубных штампов. В отечественной и зарубежной .литературе имеется достаточно много экспериментальных данных, связывающих глубину закаленного слоя с отдельными или комбинированными .технологическими параметрами лазерной обработки. Однако результаты, полученные различными авторами, противоречивы, трудно сопоставимы друг с другом из-за отсутствия полной информации 'об условиях проведений экспериментов и часто носят качественный характер.

В связи с недостаточной теоретической проработкой вопросов взаимодействия лазерного излучения с инструментальными сталями разработка математической модели, позволяющей определить глубину

закалки в зависимости от параметров лазерной обработки, осуществляли методом математического планирования эксперимента.

Основными параметрами, влияющими на глубину Ъ закалки лазер-ноупрочнешшх сталей, являются мощность Р лазерного излучения, диаметр (1 лазерного пятна и скорость V перемещения лазерного луча по обрабатываемой поверхности. Диапазоны изменения указанных параметров выбирали на основе литературных данных и результатов предварительного эксперимента. проведенного на образцах- из углеродистой инструментальной стали У8 : Р = 1,Э...2,7 кВт , V = = 10. ..40 мм/с , а = з • ■ -5 мм.

Анализ известных литературных данных показал, что зависимость глубины % закалки от параметров лазерного излучения носит нелинейный ..арактер, и поэтому функцию отклика представляли в виде полинома третьей степени. Для определения коэффициентов уравнения 'регрессии использовали ортогональный композиционный план третьего порядка, содержащий 20 точек. После лазерной обработки рабочей поверхности вырубного штампа изготовляли микрошлифы и с помощью микроскопа определяла глубину Ъ зоны лазерного воздействия. Для повышения достоверности экспериментальных данных в каждой точке плана проводили три повторных опыта ; таким образом всего было испытано 60 вырубных штампов.

После проверки однородности диспэрс*© (по критерию Кохрена), оценки значимости коэффициентов уравнения регрессии (по критерию Отьюдента) и адекватности модели (по критерию Фишера) получена следующая статистическая модель глубины % зоны закалки вырубного штампа, изготовленного из углеродистой инструментальной стали У8

Z, = ( - 0,219 + 0,007-V - 0,000089• Y^) + + ( 1 - O.iMff-'V +■ 0,000ui-V2 )-P (I)

где Z в мм, V з мм/с, P в кВт.

Для обобщения полученных результатов о целью возможности распространения полученной математической модели (I) на другие марки инструментальных сталей в работе впервые предложено использовать безразмерные (обобщенные) параметры : Z* - относительную глубину закалки и ае - комплексный показатель лазерного излучения, которые определяются по следующим <1ормулам

Ъ* = г s z0 и • ж = Рж ; /у* (2)

В формулах (2) введены следующие обозначения f

/ТГГГй" » 2 • к -Р „ v-d

2L = / I'.? J р* -- ; V = — (3)

0 / «-V 4'а

где а - коэффициент температуропроводности, мм2/с; <5 - диаметр лазерного пучка, ш; ¥ - скорость перемещения лазерного луча по обрабатываемой поверхности, т/с; Р -.'мощность лазерного излучения, Вт ; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(ММ'°С) ; Тпл -температура плавления,°С ; К - коэффициент поглощения.

Используя формулы (2)~(3) и подставляя в них соответствующие тяплофизическш характеристики стали У8, зависимость (I) можно преобразовать к следующему обобщенному виду

Z* =' - 0,055 +- 0,"27В-ге i4)

В связи с тем, что в- обобщенной зависимости (4) использованы теплофизические характеристики обрабатываемого материала а, А. и Тдд, е так»:э безразмерные (обобщенные) параметры скорости V* и мощности Рг лазерной обработки, то разработанная мвтематическая

модель может быть применена для оценки глубины Я закалки других инструментальных сталей, используемых для изготовления вырубных штампов холодного деформирования. Обработка результатов экспериментов, проведенных другими авторами, а также данные, полученные Н8ми прт- лазерной закалке, углеродистой стали У10 и легированных инструментальных сталей 9ХС, Х12М и 40ХН2МА, показала их хорошее соответствие с предложенной обощенной зависимостью (4). ■

4. Влияние лазерного излучения на шероховатость поверхности.

Шероховатость поверхности технологического инструмента' процессов обработки металлов давлением оказывает заметное влияние на его эксплуатационные свойства и качество металлопродукции. Анализ литературных данных показывает, что наиболее распространенные параметры шероховатости - среднее арифметическое отклонение профиля иа и высота неровностей профиля по десяти точкам я„ -недостаточно полно характеризует служебные свойства поверхностей, работающих в условиях трения и износа. В частности, экспериментально установлено, что при лазерной закалке инструментальных сталей без оплавления параметры • шероховатости изменяются незначительно ; в то же время эксплуатационные -'свойства вырубных штампов до и после их лазерной обработки значительно отличаются.

При рассмотрении вопросов трения и изнашивания для обобщенной оценки шероховатости поверхности широко используется комплексный (безразмерный) показатель шероховатости

где наибольшая высота неровностей профиля, ?жм; г - средний

здиус кривизны воршян выступов, ыкм; Ь и п - безразмерные параметры опорной кривой, характеризующей распределение материала по высоте шероховатого слоя. Теоретически и экспериментально доказано , * что зависимость коэффициента трения от комплексного показателя А имеет минимум ; шероховатость поверхности, которая соответствует минимальному значению коэффициента трения и, следовательно, минимальному износу, считается оптимальной.

Эксперименты, проведенные на вырубных штампах. и образцах из углеродистой инструментальной стали У8, показали, что гзсле лазерной закалка без оплавления стандартные характеристики шероховатости №а, й2, Н)пах) изменяются в пределах одного класса. На основе полученных профилограмм были построены опорные кривые,, для чего профалограмму разбивали на ряд уровней, параллельных средней линии, и определяли на каждом уровне суммарную' толщину выст,лов. После чего начальную часть опорной кривой (от вершины до средней линии) аппроксимировали степенной функцией и находили параметра ъ и п, входящие в комплексный показатель шероховатости Л. Результаты расчетов показали, что с достаточной дня практики точностью можно принять и 2 2 11 ь г где ^ - относительная

опорная длина профиля по средней линии (стандартная характеристика, определяемая по -профилограмме). Для шлифованных образцов из стали УВ значения параметра ь меняются в диапазоне 0,9...2,1, в радиуса кривизны вершин выступов г = 0,1...О,8 мм и комплексного показателя .шероховатости Л = 0,003..,1,080. Полученные значения хорошо согласуются с данными других авторов.

Испол зуя образцы из 'стали У8 с различной шероховатостью поверхности, были проведены экспериментальные исследования да определению коэффициента трения скольжения. Установлено, что зависимость коэффициента трения от комплексного показатеии шероховатости имеет минимум при А = 0,10...О,01. Эксперименты по оценке износостойкости подтвердили, что наименьший износ соответствует этим значениям А как для образцов без лазерной обработки, так и для лазерноупрочненных образцов.

Сравнение шероховатости поверхности до и после лазерной закалки показывает, что наибольшие изменения претерпевают радиусу кривизны вершин выступов г, в то время как наибольшая высота неровностей профиля в^ и параметры »--торной кривой ъ и п меняются незначительно. Например, для шлифованной поверхности по 6 классу шероховатости : до лазерной обработки - г = 112 мкм, = 13 мкм, ъ = 0,92, п - 1,95 и Л = 0,121 ; после лазерной обработки при Р = 0,6 кВт - г = 193 мкм, ^^ = II мкм, Ъ = 0,95, п = 1,91 и А = 0,058 ; после лазерной обработки при Р = 1.2 кВт -г = 324 мкм, Н^ = 9 мкм, Ъ = 1,03, 11 = 1,85 И Л = 0,027.

С

5. Исследование температурных условий работы вырубных штампов

В качестве рабочего инструмента для исследования выбраны элементы штамповой оснастки пресс-автомата типа АБ6224, который эксплуатируется на производственной фирме "Арма" и предназначен для холодной вырубки стальных деталей радиаторов с частотой штамповки 125...630 мин-1. Материал пуансонов вырубных итттов -

углеродистая инструментальная сталь У8. Анализ эксплуатационной

стойкости вырубных штампов показывает, что основной причиной

/

потери работоспособности является износ рабочих поверхностей пуансонов. Средняя стойкость инструмента, выраженная через число отштампованных деталей за один постанов, составляет 20...25 тыс.

Одной из возможных причин повышенного износа пуансонов вырубных штампов холодного деформирования является разогрев рабочей поверхности до температур, при которых могут происходить изменения структуры стали, приводящие к снижению прочности и износостойкости. Поскольку непосредственное измерение распределения температуры по рабочей поверхности пуансонов в проц< -се эксплуатации вызывает значительные трудности, то было проведено теоретическое исследование температурного поля пуансона вырубного штампа на основе, численного решения двухмерного нестационарного дифференциального уравнения ' теплопроводности с нелинейными теплофизическими характеристиками в Г аТ

аГ « г at 1 а ( аГ 1 с.р— = _ х— + — А-— + Ч д% ах I да J ay I ay J

(5)

при следующих начальных и граничных условиях:

I) В начальный момент штамповки ( t = 0 ) температурное поле пуансона считается однородным . TQ = Г ( s, у, О ) = const Z) На участках конвективного и лучистого теплообмена пуансона с окружающей средой

аТ Г 4

= (V <10- Тср) + е-0- (Т0 * 2ТЗ) - ( Тср + 2ТЗ) (6)

Здесь Т = Т(х, у, т) - температура в любой момент времени i в

произвольной точке пуансона; Т0 - температура поверхности пуансона ; ТСр - температура окружающей среда ; т - время ; с, \ и а - коэффициента соответственно теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности ; х и у - координаты ; п - направление градиента температуры ; ей а - степень черноты поверхности пуансона и коэффициент излучения абсолютно черного тела; о^, -коэффициент конвективной теплопередачи; р - плотность материала пуансона; q удельная мощность внутреннего источника анергии, который учитывает работу деформации при холодной вырубке и (или) работу сил трения между пуансоном и стальной полосой.

° Уравнение (5) при граничном условии (б) представляли в конечно-разностной форме и решали мето, эм прогонкг Алгоритм решения задачи циклической вырубки реализован на персональном компьютере и позволяет оценить температурное состояние пуансона в любой момент штамповки. Пр этом исходными данными являются: размеры пуансона, температура окружающей среда, ^еплофизические характеристики материала пуансона, механические характеристики материала полосы, частота штамповки, ход пуансона, а также шаги по текущим координатам Ьх, Ау и времени Ат.

Расчеты показывают, что квазистационарный температурный режим на рабочих поверхностях пуансона устанавливается через Ng= 12-20 циклов, при этом чем меньше длительность цикла тц штамповки, тем больше значение При длительности цикла гц = 0,15 с максимальная температура рабочей поверхности пувнсона достигает Ттах = 480 ...520°С, а амплитуда колебаний температуры - ДТ = 40...80°С. Установлено, что наиболее неблагоприятные температурные условия имеют место з приповерхностном слое толщиной 0.1...0,3 го ; при

удалении от поверхности значение Г^^. быстро снижается до 100°С

и менее, а амплитуда АТ г О. При увеличении длительности цикла до

/

Тц = 0,43 с максимальная температура рабочей поверхности пуансона снижается до ЗЭ0.,.440°С, а амплитуда возрастает до 80.. Л30°и. Измерения температуры с помощью термопары, установленной на расстоянии 1,5 мм от рабочей поверхности пуансона, показали хорошее соответствие с результатами расчета по разработанной модели.

Анализ температурных условий эксплуатации вырубных штампов холодного деформирования показал, что температура их рабочей поверхности не достигает значений, превышащих критическую точку АС1 (для стали У8 - АС1 = 730°С), и поэтому фазовых превращен не происходит. В то жэ время при высокой интенсивности штамповки максимальная температура может превысить мартенситную точку Мн (для стали У8 - Мц = 245°С), что вызывает появление бездиффузионного мэртенситного превращения, и достигать областей низкого и среднего отпуска, -вызванные этими обстоятельствами изменения структуры могут привести к значительному снижению прочностных характеристик и твердости, что вызывает повышение износа рабочих поверхностей вырубного штампа.

Лазерная закалка является перспективным способом повышения теплостойкости стзлей,. поскольку она обеспечивает дополнительное насыщение матрицы легирующими элементами и способствует образованию устойчивых к нагреву фаз. Эксперименты, проведенные с образцами из углеродистых и легированных инструментальных сталей, позволяют сделать вывод о том, что лазерноупрочненные образцы'

сохраняют высокую твердость при нагреве до темцаратур 400°С и

у.

выше. Например, твердость образцов из стали Х12М до проведения

испытаний 'оставила 60 нгаз поело предварительной объемной закалки и 65 икс после дополнительной лазерной обработки; после испытаний на теплостойкость при температуре 300°С твердость образцов составила соответственно 58 то и 65 ннс, при 400°С - 56 нкс и В4 НПО, при 500°С - 50 НЛС И 63 нлс.

}

6. "чзработка технологии лазерной обработки инструмента для холодной штамповки.

•' На основе проведенных исследований разработана технология лазерного упрочнения вырубных штампов хо. .даого деформрования, которая включает предварительную (традиционную) термическую обработку, лазерную закалку и окончательный отпуск. Режимы лазерной обработки выбирали в соотзетс вии с рекомендациями, изложенными в предыдущих главах ; кроме того, дополнительно били рассмотрены вопросы оценки величины остаточного прогиба, выбора наиболее эффективных энергопоглощающих покрытий и расположения лазерной дорозоси на рабочей поверхности пуансона вырубного штампа.

Поверхностная лазерная закалка рабочих поверхностей пуансонов вырубных штампов приводит к появлению остаточных термических деформаций, для устранения которых может потребоваться дополнительная механическая обработка (шлифование). Для оценки этих деформаций на рабочие поверхности пуансонов наносили лазерные дорожки различной ширгаы, расположенные на различном расстоянии от режущей кромки. Как показали измерения прогиба центральной части пуансогз относительно его краев, в исследуемом да-, озоне

параметров лазерной обработки величина прогиба увеличивается почта пропорционально с возрастанием мощности излучения и обратно пропорционально скорости перемещения лазерного луча по обрабэтг в'1 омой поверхности. Диаметр лазерного пучка и, следовательно, ширина лазерной дорожки практически не влияет на величину прогиба; при расстояниях центра лазерной дорокки, прваишащих два диаметра лазерного пучка, остаточных прогибов не наблюдается. Для уменьшения прогиба пуансона после лазерной закалки предложено интенсифицировать принудительный отвод тепла от обрабатываемого инструмента, например, путем размещения пувнсонов в ванну с проточной водой.

Глубина и ширина зоны лазерного воздействия при обработки инструментальных сталей существенно зависит ст вида применяемого энергопоглощЕвдегб покрытия. Несмотря на большое количество "предложенных покрытий, в литературе отсутствуют систематические данные и практические рекомендации. Исследование эффективности основных видов энергопоглощакщих покрытий, разработанных НИИГАв-топромом и НЩГЛ АН СССР, проводили на образцах из легированной инструментальной стали 40ХН2МА, которые предварительно подвергали традиционной термической обработке: нормализация, отпуск, закалка в масле, отпуск. Нг основе металлографических исследований энер-гопоглощающие покрытия были проранкированы по степени влияния на глубину и ширину зоны лазерного воздействия. Полученные данные позволили для лазерной закалки без оплавления поверхности пуансонов вырубных штампов холодного деформирования рекомендовать покрытия типа СФ-505 и МЦС-510.

Поскольку возможность повторного использования- пуансонов путем их перешлифовки зависит от глубины зоны лазерного влияния вдоль боковой поверхности, то расположение лазерной дорожки на торцевой рабочей поверхности пуансона является важным фактором лазерной обработки. Эксперименты показали, что глубина закаленной зоны на боковой поверхности достигает наибольших значений, когда центр лазерной дорожки совпадает с режущей кромкой ; однако при этом возможно■оплавление кромки. Поэтому рекомендовано лазерную закалку проводить так, чтобы центр лазерной дорожки отстоял от рвущей кроши пуансона вырубного штампа на расстоянии, равном 0,25...О,75-й, где а - диаметр лазерного п"?на.

Производственным испытаниям на ПФ "Арма" подвергали партию (20 ит.) вырубных штампов, изготовленных из стали У8 и предназначенных для получения деталей из низкоуглеродастой стали марки 08кп толщиной 0,5 мм. Стойкость пуансонов, подвергнутых лазерной закалке, повысилась в 2,6...3,2 раза по сравнению с пуансонами, обрабатываемыми по обычной технологии. Для Магнитогорских метизна - металлургического и калибровочного заводов лазерной обработке были подвергнуты образцы разнообразного штампового инструмента; результаты испытаний показали, что стойкость лазерноупрочненных пуансонов из стали 5ХВ?С зоэросла в среднем в 1,8 раза, обсвчпих штампов из стали Эй 161 - в 2,5 раза, вырубных штампов из стали У8 - в 2,6 раза, обрубных нокей из стали УЮ - в 4,1 раза, отрезной втулки из стали XI2М - в 2,8 раза, дисковых ножей из стали 9ХС-в 2,2 раза.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Уточнены закономерности формирования поверхностного слс < штампов холодного деформирования, изготовленных из углеродистых и легированных инструментальных сталей, после юс лазерной закалки без оплавления поверхности.

2. Используя методы математического планирования эксперимента разработана статистическая модель, которая позволяет определить глубину закалки пуансонов вырубных штампов в зависимости от скорости и мощности лазерной обработки.

3. Предложена обобщенная зависимость относительной глубины заколки от комплексного безразмерного показателя лазерного излучения, основанная на использовании теплофизаччскта характеристик обрабатываемого материала и безразмерных параметров лазерной ■обработки.

4. На основе экспериментальных исследований определены параметры шероховатости поверхности после лазерной закажи, и установлена связь комплексного показателя шероховатости, с эксплуатационными характеристиками Еырубшх штампов холодного деформирования.

5. Разработана и тализована на персональном компьютере математическая, моде ль теплового состояния пуансонов вырубных штампов, пресс-автомата АБ6224 для холодного деформирования. Установление, что при частоте штамповки 400 мив~* максимальная температура рабочей поверхности пуансона достигает 480...520°С, а омплитудо -40...80°С , при этом квазястащюнаршй температурный регам уста-

навлшзается через 12...20 циклов. При снижении частоты штамповки до 125 мин-^ значение максимальной температуры уменьшается до 390.. .440°С, а амплитуде возрастает до 80..Л30°С.

6. Разработана материалосберегащая технология лазерного упрочнения вырубных штампов для холодной штамповки, изготовлешшх из углеродистых (УЗ.УЮ) и легированных (9ХСД12М.5ХВ2С и ЭИ--Ш) инструментальных сталей. Даны рекомендации по применению энерго-поглощающих покрытий, применяемых при лазерной закалке инструментальных сталей, я по расположению лазерной дорожки на рабочей поверхности пуансона вырубного штампа. Опытно-промышленное опробование показало, что разработанная технология позволяет повысить стойкость элементов вырубных штампов в 2...3 раза и дополнительно снизить расход инструментальной стали за счет возможности многократного (2...4 раза) использования штампового инструмента за счет перешлифовки. Повышение эксплуатационной стойкости штампо-инструмента привело к снижению брака в 1.8...2.2 раза.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

I. Ахмед Абд Эль Монем Юсеф, Веремеевич А.Н., Чуйко Л.А., Хрулев С.Ф. Разработка технологических основ лазерной обработки вырубных штампов // Новые материалы, технология, автоматизация в холодноштамловочном производстве : Тезисы докладов семинара / Приволжский регионалкшй дом экономической и научно-технической пропаганды. Пенза, 1991,с. 5-6.

2. Ахмед Абд Эль Монем Юсеф, Веремеевич А.Н., Чуйко л.А. Повышение теплостойкости штампов для холодной обработки металлов давлением излучением непрерывных С02 -лазеров // Новые материалы, технология, автоматизация в холодноштамповочном производстве: тезисы докладов семинаре / Приволжский региональный дом экономической и научно-технической пропаганда. Пенза, 1991,с.6-8.