Бесстружковая обработка металлов
Применение твердосплавного бурового инструмента при этом виде обработки имеет не меньшее значение, чем при резании, так как повышается в десятки раз стойкость инструмента. Основные виды бесстружковой обработки: волочение; штамповка, которая делится на резку, вырубку, вытяжку и объемную штамповку.
Механизм износа твердых сплавов при бесстружковой обработке до настоящего времени изучен недостаточно и поэтому сплавы во многих случаях подбираются эмпирически, с учетом их свойств. Основные факторы, определяющие работоспособность твердого сплава в инструменте, можно разделить на три основные группы: 1) свойства твердого сплава; 2) конструкция инструмента; 3) условия эксплуатации.
В процессе эксплуатации твердосплавный инструмент выходит из строя: в результате скола; образования радиальных трещин и отслаивания вставки из твердого сплава, в направлении перпендикулярном оси вставки, из-за слабого “натяга”, наличия сетки микротрещин из-за термоудара, или механической нагрузки. Отсюда сплавы должны иметь повышенное сопротивление износу, разрушению при динамических и тепловых нагрузках, обладать определенными пластическими свойствами.
Волочение
При получении проволоки с помощью волочения, стальные волоки почти полностью вытеснены твердосплавными или алмазными ввиду их преимуществ: более высокой стойкости без изменения диаметра; большей скорости волочения; более гладкой поверхности проволоки, придающей товарный вид. При диаметре проволоки < 0,4 мм применяют “алмазные волоки”, стойкость которых в 10-20 раз выше твердосплавных, но они очень дорогие. Для труб большого диаметра применяют стальные волоки, так как изготовление твердосплавных связано с большими трудностями.
Подготовка волоки к работе очень трудоемкая операция, включающая: шлифовку; притирку; полировку; доводку. Чаще волоки изготавливают из сплавов WC-Co с малым содержанием кобальта: ВК4, ВК6, ВК8 и др. (в зависимости от условия эксплуатации). Из-за возможности налипания обрабатываемого материала применяют малокобальтовые сплавы, хотя возможен отрыв отдельных частиц сплава с рабочей поверхности волоки под влиянием движущегося обрабатываемого материала из-за повышенной хрупкости и недостаточной прочности твердого сплава при малом содержании кобальта. Иногда применяют и сплавы WC-TiC-Co (Т30К4) - для горячего волочения молибденовой и вольфрамовой проволоки (температура более 700 °С).
На стойкость волоки помимо состава и структуры сплавов влияют конструкция, тщательность полировки и доводки “очка” волоки, правильного выбора смазки при волочении.
Штамповка
Удельный вес операций штамповки в общем объеме обработки металлов давлением постоянно увеличивается благодаря высокой производительности и практически безотходности такой технологии. Однако положительный эффект в этих операциях достигается лишь при достаточной стойкости инструмента, которая во многих случаях обеспечивается применением твердого сплава. Вырубные штампы из твердых сплавов за рубежом стали применять в 1948 г., а в России - только в начале 60-х годов. Испытываемые рабочими частями штампов ударные нагрузки требуют применения для их оснащения относительно прочных марок твердых сплавов, т.е. главным образом сплавы группы WC-Co с содержанием кобальта 11...25 % (в некоторых случаях можно и с меньшим > содержанием кобальта).
Преимуществом сплавов WC-Co перед WC-TiC-Co помимо прочности связано и с тем, что при штамповке в холодную не возникают высокие температуры, а следовательно отсутсвует диффузионное взаимодействие.
Так как стоимость твердосплавных штампов существенно дороже стальных, то применение их экономически выгодно только при массовом изготовлении или при выпуске крупных партий деталей с помощью штампов. Например, вырубка деталей статора и ротора электродвигателей или сердечников трансформаторов.
Наблюдения в ходе испытаний показали, что износ твердых сплавов протекает путем не только истирания, но и мелкого выкрашивания режущих лезвий с предварительным образованием сетки усталостных микротрещин на матрице и пуансоне. Такой износ наступает вследствие ударного характера приложения нагрузки. Отмечено, что материал пуансона должен быть более прочный, так как испытывает большие напряжения в работе, чем матрица (так, ВК20 - пуансон, ВК15 - матрица).
Раньше в основном применяли среднезернистый сплав ВК20, но в последние годы в ГУП ВНИИТС разработаны специальные штамповые марки твердых сплавов с индексом К, КС, С.
Объемная штамповка
Штампы для объемной штамповки работают в наиболее тяжелых условиях. Если при вырубке, напряжения развиваются только на узкой полоске вдоль режущих кромок, то при объемной штамповке зона напряжения занимает значительное пространство, в связи с чем в данном случае для оснащения штампов требуются наиболее прочные твердые сплавы. В этом направлении ведутся широкие работы у нас и за рубежом, но на сегодня нельзя сказать, что успешно можно применять твердые сплавы на всех видах объемной штамповки, особенно горячей.
Наибольшие успехи получены при холодной высадке болтов и гаек. Опыт применения твердых сплавов на ряде предприятий на операциях холодной высадки болтов показывает, что с увеличением диаметра штампуемой детали работоспособность твердосплавных матриц резко снижается, так как возрастает усилие высадки, меняется характер выхода из строя инструмента: от износа (мелкие детали) до микро- и макровыкрашиваний и разрушений (детали большого диаметра).
Сопоставления прочностных и пластических свойств твердых сплавов с их работоспособностью позволяет выбрать критерии, по которым можно предварительно оценить работоспособность сплава на операциях высадки и штамповки.
Такие исследования были проведены и показано, что предел усталости при ударном изгибе с увеличением содержания кобальта и величины зерна WC-фазы снижается, в то время как работоспособность штампа при динамическом нагружении возрастает. Увеличение пластической деформации оказывает ббльшее влияние на сопротивление разрушению, чем уменьшение прочности, благодаря чему высокопластичные сплавы за счет большего размера зерна WC-фазы даже с пониженной прочностью обладают при динамическом нагружении преимуществом перед малопластичными с намного более высокой прочностью при изгибе и сжатии.
Причина повышенного сопротивления разрушению и вследствие этого высокой работоспособности при ударном нагружении сплава с весьма крупным зерном фазы WC заключается, в основном, в повышенной способности его к пластической деформации. Необходимо отметить, что большое значение при холодной высадке (объемной штамповке) имеет предварительное напряжение, создаваемое в матрице из твердого сплава путем запрессовки ее в стальную обойму с определенным “натягом”. В зависимости от величины “натяга” (1,2... 1,5 %) может быть получена различная стойкость инструмента.
Существенно удалось повысить стойкость твердосплавных штампов (в 2-3 раза) при применении марки сплава серии К. Так, для холодной высадки болтов М12-М20 стойкость в 15-20 раз выше, чем стального инструмента, при изготовлении штампа из сплава ВК20-К, благодаря его высокой величине деформации до разрушения и большой величины работы пластического “формоизложения”. Для высадки этих болтов рекомендуют матрицу делать из сплава ВК20-К (верх); пуансон из ВК15 (низ); обойму из ЗОХГСА, твердостью 38...42, “натяг” 1,2... 1,3 %. Сплавы ВК15 и ВК20 имеют недостаточную пластичность, отсюда скалывание, образование радиальных трещин и отслаивание.
Достаточно остро в настоящее время стоит вопрос с буровым инструментом для горячего выдавливания и горячей штамповки, которые находят все более широкое применение в металлообработке, в связи с чем, повышение стойкости штампов путем применения твердых сплавов заслуживает внимания. Но поведение твердых сплавов в процессе эксплуатации пока мало изучено; можно отметить некоторые положительные моменты по применению особокрупнозернистых марок твердых сплавов серии К и КС с содержанием кобальта 15...20%. Дополнительную опасность при применении твердых сплавов вызывает термоудар, которому твердый сплав очень плохо сопротивляется.
Наилучшие результаты при прокатке стали в горячую показал твердый сплав WC-Ni-Co-Cr3C2. На некоторых операциях горячей обработки металлов давлением рекомендуется сплав ВК25К, легированный карбидом хрома.
← назад
Все статьи о бурении и буровом оборудовании
далее →