автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое повышение долговечности вырубных пуансонов лазерным легированием

Г б

«г у На правах рукописи

I ^ ДГЦ

ИНОТИН Владислав Петрович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВЫРУБНЫХ ПУАНСОНОВ ЛАЗЕРНЫЙ ЛЕГИРОВАНИЕМ

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянсн-1996

Работа выполнена в НИИ "Изотерм" и в Брянском государственном техническом университете

Научный руководитель -

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.Г.СУСЛОВ

доктор технических наук, профессор O.A. ГОРЛЁНКО, кандидат технических наук, И.А. БУГАЕВ

АО "Брянский машиностроительный

завод1

■с

Защита состоится " рд " декабря 1996 года в 14 часов

на заседании диссертационного совета Д 063.28.01 Брянского государственного технического университета по адресу:

241035, г.Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7,БГТУ,ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского

государственного технического университета.

Автореферат разослан " " ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В.П. ТИХОМИРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с решением

проблемы технологического обеспечения и повышения долговечности вырубных пуансонов лазерным легированием на основе управления физико-химическими свойствами поверхностного слоя и радиусом скругления режущей кромки.

Актуальность работы. В условиях открытой рыночной экономики важнейшим вопросом является повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, которая определяется её качеством и себестоимостью изготовления. Причем, под продукцией в данном случае понимаются как сами вырубные пуансоны, так и изделия, получаемые с их использованием. Дефицит и дороговизна быстро-реиущих сталей, в частности Р6М5, используемой для изготовления вырубных пуансонов, привела к необходимости повышения её долго -вечности или замены на более доступные и дешевые легированные стали. Но практика показала, что эти задачи не могут быть решены без использования новых наукоёмких технологий, позволяющих эффективно управлять физико-химическими свойствами поверхностных слоев отдельных рабочих элементов изделий, определяющих их долговечность.

Одним из перспективных методов в данном вопросе является лазерное легирование, которое достаточно широко используется в радиоэлектронной и авиакосмической промышленности. Применение лазерного легирования в обычном машиностроении и инструментальном производстве сдервивается из-за отсутствия конкретных рекомендаций по легирующим элемента« и режимам лазерной обработки.

В этой связи безусловно актуальными являются исследования, направленные на решение задачи по технологическому обеспечению и повышению долговечности вырубных пуансонов с использованием новых наукоёмких технологий.

Цель работы. Разработка научных основ по повышению долговечности вырубных инструментов на базе использования новых наукоёмких технологий.

В соответствии с поставленной целью на защиту выносятся следующие положения:

- установление причин выхода из строя вырубных пуансонов и основных эксплуатационных свойств, определяющих их долговечность;

- научное определение возможных методов улучшения этих эксплуатационных свойств и их исследование;

- технологическое обеспечение оптимальных значений физико-химических свойств поверхностного слоя и радиусов округления режущих кромок вырубных инструментов;

- установление возможности замены дорогостоящей вольфрамо-молибденовой стали на конструкционную легированную сталь на основ! использования новых наукоёмких технологий при изготовлении вырубных пуансонов.

Методы исследований. Методологической основой работы является системный подход к изучению причин выхода из строя вырубных пуансонов и научно-обоснованное устранение этих причин.

Исследования базируются на современных достижениях новых наукоёмких технологий, учении о взаимосвязи эксплуатационных свойств деталей машин с качеством их поверхностных слоев. При выполнении работы применялись современные методы экспериментальных исследований качества поверхностных слоев и динамической поверхностной прочности деталей, определяющих долговечность вырубных инструментов.

Научная новизна. Установление широких возможностей лазерного легирования и ионно-плазменных покрытий в повышении динамической поверхностной прочности сталей. Впервые определены оптимальный состав и режимы лазерного легирования вольфрамо-молибденовых и легированных сталей, позволяющих значительно повысить их динамическую поверхностную прочность.

Практическая ценность работы. Наибольшую практическую ценность проведенных исследований представляют следующие результаты:

1. Установлены причины выхода из строя обрезных инструментов, позволяющих определить организационно-технологические мероприятия, направленные на повышение их долговечности.

2. Осуществлено комплексное повышение долговечности вырубных пуансонов в 2-3 раза.

3. Установлена взаимосвязь замены дорогостоящей быстрорежущей стали Р6М5 на конструкционную легированную сталь 6Х4М2ФС при изготовлении обрезных пуансонов.

Реализация результатов работы . Результаты работы использованы на АО "Рославльский автоагрегат -ный завод" и АО "Брянский машиностроительный завод" для снижения себестоимости и повышения долговечности вырубных инструментов. Годовой экономический эффект для АО РААЗ на конец 1995 г. составил 47 млн. рублей.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Всесоюзной научно-практической конференции "Теория и практика создания, испытания и эксплуатации трибо-технических систем-2", Андропов, 1986 г., в отраслевом научно- -техническом семинаре "Лазерная техника и технология",Брянск,1991. Научно-практической конференции "Наука и практика".Брянск,1995,на

Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс", Севастополь, 1996 г, а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Брянского государственного технического университета, 1994, 1995, 1996 годы.

Диссертация обсуждена и одобрена на расширенном заседании кафедры "Металлорежущие станки и инструменты" БГТУ (г.Брянск).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 5 статей, 5 тезисов докладов научно-технических конференций и семинаров и получено 2 авторских свидетельства.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения и списка литературы (100 наименований). Общий объем диссертации - ИЗ страниц, включая 27 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, изложена научная новизна и практическая ценность выполненной работы., и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса по технологическому повышению долговечности деталей лазерным легированием. На основе анализа работ ряда ведущих ученых

по лазерной обработке Бетанели А.И., Григорова А.И., Коваленко

!

B.C., Ковалевского В.В., Колесникова Ю.В., Миркина Л.И., Рыкали-на H.H., Спиридонова И.Н., Моллиана П.А. и др. сделаны следующие выводы:

I. Повышение долговечности вырубных пуансонов является объективной необходимостью.

2. Требуется дальнейший анализ причин выхода из строя вырубных пуансонов с целью научно-обоснованного подхода к повышению их долговечности.

3. Лазерное легирование обладает широкими возможностями в повышении долговечности деталей, работающих на удар и износ.

Отмеченные обстоятельства предопределили цель данной работы, для достижения ноторой необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать причины выхода из строя вырубных пуансонов и установить основные эксплуатационные свойства, определяющие их долговечность.

2. Научно определить возможные методы улучшения этих эксплуатационных свойств.

3. Исследовать влияние новых наукоёмких технологий на повышение долговечности вырубных пуансонов.

4. Технологически обеспечить оптимальные значения физико-химических свойств поверхностного слоя и радиусы скругления режущих кромок вырубных пуансонов, определяющих их долговечность.

5. Исследовать возможности замены дефицитной и дорогостоящей вольфрамо-ыолибденовой стали на обычную конструкционную легированную сталь на основе применения новых наукоёмких технологий при изготовлении вырубных инструментов.

Во второй главе изложена методика проведения исследований. Обоснованы применяемые материалы образцов: сталь 45, сталь У8, сталь Р6М5 и сталь 6Х4М2ФС, для оценки которых использовался спектральный анализ. Изучение микроструктуры производилось на микрошлифах с использованием металлографического микроскопа МИМ-8 при увеличении 100...500 крат, микротвердость измерялась на микротвердомере ПМТ-6М.

Радиус скругления режущей кромки определялся из профилограм» снятых с помощью профилометра-профилографа мод. 201 завода "Калибр" с использованием специального приспособления. Для определения радиуса скругления режущей кромки пуансонов в процессе работы использовались свинцовые пластины 20x6x3 мм. Профиль режущей кромки снимался: с отпечатка на пластине. Различ -ные радиусы скругления режущей кромки пуансонов в условиях эксперимента получались электрохимическим полированием.

Лазерная обработка образцов и пуансонов осуществлялась на лазерной установке "Квант-18М". Легирующие элементы: ферробор, карбид бора, тетраборид калия, алюминий, никель, хром и др. наносились на рабочую поверхность в виде обмазки. Было исследовано более тридцати вариантов обмазок с различными режимами облучения. Нанесение покрытия из нитрида титана осуществлялось на ионно-плазменной установке "Пуск-7?" по наиболее отработанной в технологическом плане схеме: очистка рабочей поверхности азотом, очистка титаном и нанесение покрытия в течение 5, 10, 15 и 20 мин. При этом время напыления 1,5 мин соответствовало толщине наносимого покрытия I мкм.

Для экспериментального исследования контактных деформаций и динамической поверхностной прочности образцов была разработана и изготовлена специальная установка. Различные амплитуды динамической составляющей нагрузки задавались изменением ускорения или динамической массы установки. Чтобы избежать возможного возникновения резонансов частей установки и их влияния на характеристики контакта, контролировался гармонический характер вибрационной нагрузки. Это осуществлялось с помощью закрепленного вблизи контакта пьезоэлектрического датчика ускорений (акселерометра), сигнал с которого подавался на катодный осциллограф.

Закон изменения действующей на фрикционный контакт нагрузки также фиксировался по осциллограммам контактных деформаций, записанных на шлейфовом осциллографе. Эксперименты повторялись пятикратно и

производилась их статистическая обработка.

Третья глава посвящена анализу и исследованию причин невысокой долговечности вырубных пуансонов. Установлено, что этими причинами являются:

1) выкрашивание режущих кромок;

2) смятие режущих кромок;

3) износ пуансонов по задней поверхности;

4) объемные разрушения пуансонов.

Статистическая обработка данных позволила установить, что наиболее распространенным дефектом вырубных инструментов при их работе (до 80 %) являются выкрашивание и износ режущих кромок. Экспериментально установлено, что эти дефекты зависят от физико-химических свойств поверхностного слоя и радиуса скругления режущей кромки инструмента.

Смятие режущих кромок имеет место при недостаточной твердости пуансонов и ,как правило, предшествует выкрашиванию. Объёмные разрушения, как показали исследования, обусловлены не параллельностью опорной поверхности бурта пуансона и плоскости режущих кромок. Микротрещины, предшествующие объемным разрушениям, как правило, распространяются от опорной поверхности бурта к режущим кромкам.

Результаты исследований показали,что:

1) смятие, износ и выкрашивание режущих кромок определяются

динамической поверхностной прочностью материала;

2) оптимальной твердостью вырубных пуансонов является НИСд 57...58. При твердости > НКСЭ58 повышается вероятность

сколов, при НЯСд < 57 повышается вероятность смятия;

3) при проведении работ по повышению стойкости вырубных пуансонов следует уделять должное внимание повышению сопротивления смятию, которое обеспечивается пределом текучести на сжатие <Эо2 и пределом упругости &оо2 ;

4) увеличение вероятности сколов режущей кромки определяется большей насыщенностью и более грубой карбидной полосчатостью.

В четвертой главе приведены результаты исследований по технологическому повышению динамической поверхностной прочности сталей. Как правило, обеспечение требуемой динамической поверхностной прочности достигается за счет подбора материала, зачастую дефицитной вольфрамо-молибденовой или высоколегированной стали и последующей их термической или химико-термической обработки. Методы же технологического управления качеством поверхностного слоя, как правило, сводились к нанесению различного рода покрытий. Однако практика показала, что это экономически невыгодно или не даёт положительных результатов. Развитие новых наукоёмких технологий, в частности ионно-плазменной, лазерной обработки, в значительной мере расширяет возможности технологии в решении этой проблемы. Исследования показали, что особенно перспективным в данном направлении является лазерное легирование.

Экспериментальные исследования динамической поверхностной прочности при различных методах обработки проводились на образцах, изготовленных из сталей 45, Х12Ф1 и У8.

Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. I и на рис. I.

Таблица I

Динамическая поверхностная прочность стали 45 с ионно-плазменными покрытиями из нитрида титана различной толщины,необработанной и обработанной лазером

1Р образа цов мин Вид обработки ь, мкм п СгТ)1П, мкм Стаж, мкм Сер, мкм

I 0 Без 850 *

2 0 ОЛ 810

3 5 Беа 860

4 5 ОЛ 760

5 10 Без 370

6 10 ОЛ 810 22 103 320 205

7 15 Без 920 - - - -

8 15 ОЛ 860 19 128 530 331

9 20 Без 980 - - - -

10 20 ОЛ 900 9 115 377 244

с!, мм 0,8

0,7

0,6

^ Ю 5-Ю Ю2 5-Ю2- Ю3 5Ю N

Рис. I. Зависимость диаметра отпечатка от числа циклов соударения конического индентора по поверхности закаленных сталей: I - сталь 45; 2- сталь Х12Ф1; 3 - сталь 45 с лазерным боридным покрытием

Результаты исследований убедительно показывают, что обработка лазером во всех случаях повышает динамическую поверхностную прочность. Особенно это проявляется при малой толщине предварительно нанесенного покрытия. Исследования изменения микротвердости в поверхностном слое (Рис. 2) показывают, что для образцов с меньшей толщиной покрытия происходит более равномерное перемешивание нитрида титана с основой и образуется достаточно большой (десятые доли мм) упрочненный слой, равномерно переходящий к микротвердости основного материала. При большей величине покрытия поверхностный слой после лазерной обработки характеризуется резкими скачками микротвердости. Такой слой, несмотря на значительную микротвердост: на самой поверхности,не обеспечивает высокую динамическую поверхно стную прочность из-за значительного градиента микротвердости по гл: бине, что и подтверждается возникновением микротрещин.

(кривые I и 2 соответствуют образцам № 4 и 10 в табл. I)

Математическая обработка результатов исследований позволила получить зависимость для определения диаметра отпечатка £2д' от числа циклов соударений А/ .'

с/ы = с/о(М)'Г1 , ш

где с/о - диаметр отпечатка при первом ударе;

Л) - показатель роста контактных деформаций.

Пятая глава посвящена вопросам технологического повышения долговечности вырубных пуансонов.

На основе проведенных исследований было предложено несколько режимов упрочняющей обработки. Испытания проводились на вырубных пуансонах ШБ-75-1 Рославльского автоагрегатного завода. Пуансоны изготавливались из сталей Р6М5, 6Х4М2ФС, 40Х и подвергались различным методам обработки, приведенным в табл. 2.

Проведенные исследования убедительно показали '■•. возможность замены дорогостоящей дефицитной вольфрамо-молибденой стали Р6М5 при изготовлении вырубных пуансонов на легированную сталь 6Х4М2ФС.

Анализ и исследования показали, что стойкость вырубных пуансонов существенно может быть повышена и за счет оптимизации режущей кромки. Обычно изготавливаемые пуансоны имели радиус скругления режущей кромки от 6 до 17 мкм. Установлено, что оптимальным радиусом режущей кромки вырубных пуансонов с точки зрения повышения их долговечности является 50-60 мкм. Технологически их оптимизация обеспечивалась виброобработкой абразивными гранулами, а производственное получение таких радиусов осуществлялось фарфоровыми шариками диаметром 2...3 мм.

Комплексные технологические мероприятия по лазерному легированию и оптимизации радиуса режущей кромки вырубных пуансонов из стали Р6М5 на АО РААЗ позволили повысить их долговечность в 2-3 раза, а также обеспечить производственную долговечность вырубных

Результаты испытаний пуансонов на заводе

Таблица 2

пар® Услов-тии ные пуансоны

Вид упрочняющей Материал Твердость Стойкость Причина обработки пуансона материала тыс. шт выхода из

пуансона строя

Твердость болтов из стали 30 НВ ***

Примечание

Лазерное упрочне- Р6М5** 57 ние (режим I)

2 Лазерное упрочне- Р6М5** 59 ние (режим 2)

3 Лазерное упрочне- Р6М5** 57 ние (режим 3)

40...45 Смятие, небо- 280 льшие сколы. Расколот на две половины

40...45 Смятие, ско- -"-лы, износ

40...45 Сильное смятие -"и сколы. Расколот на две половины

По данным завода стойкость серийных пуансонов ЖБ-75-1 составляет 30...35 тыс. шт.

1-й I вари- 9

ант

Лазерное легирование (режим 4)

Лазерное легирование (режим 4)

Р6М5

ДИ-55 (6Х4М2ФС)

59

55

5 Сколы 35

2-й I ваРи- 9 ант <-

Лазерное борохроми- Р6М5 60 рование (режим 5)

Лазерное борохроми- ДИ-55 57 рование (режим :)

6 Сколы 40

6

3

4

5

I

I

I

Продолжение табл. 2

I 2 3 4 5 6 7 8 9

I Борохромирование печное (реаим 6) ДИ-55** (6Х4М2ФС) 59...60 10 Расколот на две половины 302

2 Термообработаны по * Р6М5 60...60 ,5 24 Сколи 269

серийной (заводс- Р6М5 59...60 45 Сколы 240

кой) технологии Р6М5 60 50 Небольшие сколы 220

ДИ-55* (6К4М2ФС) 57,5...59 20 Сколы 286

ДИ-55* 57-54-44 56-53 25 Сколы 250

*) Материал и твердость определены на РААЗ, на других образцах - на АО БМЗ.

**) Поданы РААЗ, как изготовленные из стали Р6М5. Дополнительного упрочнения марки стали (как в остальных случаях) не проводилось.

***) Твердость замерена на последнем болте при снятии пуансона с эксплуатации.

пуансонов при их изготовлении из стали 6Х4М2ФС. Срок полной окупаемости нового техпроцесса изготовления вырубных пуансонов из конструкционных легированных сталей составил 2,1 года. По ист чению этого срока ежегодная экономическая эффективность составляет 24 млн. рублей. Срок окупаемости новой технологии при изготовлении вырубных пуансонов из стали Р6М5 составляет 1,1 года, после чего годовая эффективность равна 47 млн. рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые предложено научно-обоснованное решение задачи повышения долговечности вырубных инструментов.

2. Исследования показали, что новые наукоёмкие технологии имеют широкие возможности в повышении эксплуатационных свойств вырубных инструментов, а также их использование позволяет заменять дорогостоящие вольфрамо-молибденовые стали на конструкционные легированные стали.

3. Основной., причиной, определяющей долговечность вырубных пуансонов,является выкрашивание режущих кромок, которое в значительной степени зависит от поверхностной динамической прочности материала и радиуса округления режущей кромки.

4. Экспериментально установлено, что широкими возможностям? в повышении динамической поверхностной прочности обладает лазерное легирование, в частности, борирование и ионно-плазменные покрытия.

5.Установлен оптимальный состав для лазерного легирования, содержащий диксид титана, борный ангидрид и углерод, который позволяет повысить динамическую поверхностную прочность в 1,5-2 раза.

6.Лазерное борирование позволяет повысить динамическую поверхностную прочность конструкционных легированных сталей до динамической поверхностной прочности вольфрамо-молибденовых сталей.

7. Комплексные конструкторско-технологические мероприятия позволяют повысить долговечность вырубных пуансонов из стали Р6М5 в 2-3 раза. Экономическая эффективность при этом для АО РААЗ составила 47 млн. рублей в год (на I.0I.96).

Основное содерпание диссертации опубликовано в работах:

1. A.C. № 1007538"Источник ионов металлов" от 23.11.82 (Инютин В.П.,Белюк С.И., Груздев В.А. и др.).

2. Суслов А.Г., Колесников Ю.В., Инютин В.П.Исследование возмоиностей повышения динамической поверхностной прочности сталей с помощью лазерного легирования /Трение и износ, 1985, № 3.-С. 872-877.

3. Колесников Ю.В., Инютин В.П. Влияние ионно-плазменного покрытия из нитрида титана на контактное деформирование стали при ударно-циклическом нагрулении. Межвузовский сборник научных трудов "Механика и физика контактного взаимодействия.-Калинин, Госуниверситет, 1985.- С. 34-39.

4. Колесников Ю.В., Ностик Ю.В., Инютин В.П. Влияние лазерного борирования на контактные деформации стали 45 при ударно-циклическом нагружении./Электроника, сер. 6"Материалы",1986.-

С. 77-79.

5. Колесников Ю.В., Мостик Ю.В., Инютин В.П. Снижение динамического износа стали различными способами титанирования. Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции "Теория и практика создания, испытания и эксплуатации триботех-

нических систем".- Андропов, 1986.- С. 96-97.

6. Колесников Ю.В., Жостик D.B., Инютин В.П. О величине остато ной деформации при ударном ППД. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции"Новые технологические процессы и оборудова ние для поверхностной пластической обработки материалов".-Брянск, 1986.- С. 87-88.

7. Ностик Ю.В., Колесников Ю.В., Инютин В.П. Комбинированное л зерное упрочнение рабочих элементов. Информационный листок Врянско ЦНТИ, 1986.- £ 66.

8. Колесников К.С., Колесников Ю.В., Инютин В.П. Легирование поверхностных слоев деталей машин с использованием лазерного излу чения.-Машиноведение АН СССР, 1987, Ш 4.- С. 10-19.

9. A.C. № 1468962 "Состав для лазерного легирования стальных изделий" от I.I2.88 г./Инютин В.П., Колесников П.В.

10. Колесников Ю.В., Инютин В.П. Технологические возможности л зерного легирования. Тезисы докладов отраслевого научно-техническо семинара "Лазерная техника и технология".-Брянск,1991.-С. 3-4.

11. Инютин В.П., Коньков В.Г., Филиппов Д.Д. Опыт разработки и применения лазерной технологии в НИИ "Изотерм". Тезисы докладов на учно-практической конференции "Наука и практика".-Брянск, секция I "Промышленность", 1995.- С. 11-13.

12. Суслов А.Г., Инютин В.П. Технологическое повышение долговечности вырубных пуансонов лазерным легированием. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс".-Севастополь, 1996.-С.224.

13. Суслов А.Г., Инютин В.П. Повышение долговечности вырубных пуансонов. Тезисы докладов 53-й научной конференции профессорско-преподавательского состава.Изд-во БГТУ.-Брянск, 1996.- С.5.