Бесстружковая обработка металлов

Бесстружковая обработка — это огромная область обработки металлов. Сюда относятся волочение, резка, вырубка, вытяжка, гибка, высадка и т. д. Применение металлокерамических твердых сплавов при бесстружковой обработке имеет такое же большое значение, как и при обработке резанием, так как высокая стойкость твердосплавного волочильного и штамповочного инструмента обеспечивает повышение производительности труда, стабильность размеров обрабатываемых деталей, позволяет применять инструмент в автоматических линиях и дает возможность не изготавливать большое число инструментов-дублеров. Стойкость инструмента для бес-стружковой обработки, оснащенного вставками из твердого сплава, по сравнению со стальным инструментом повышается в 20—100 раз. Однако применение твердых сплавов для бесстружковой обработки металлов еще не нашло такого широкого распространения, как при обработке резанием. Это объясняется тем, что твердые сплавы стали применять для бесстружковой обработки значительно позже, чем для резания металлов, так как твердые сплавы, пригодные для этой цели, созданы сравнительно недавно. He было раньше и оборудования, необходимого для обработки твердых сплавов, применяемых при бесстружковой обработке металлов.

Твердые сплавы для бесстружковой обработки следует выбирать с учетом условий работы.

Эффективность применения твердых сплавов в бесстружковой обработке металлов во многом определяется качеством оборудования, на котором применяют твердосплавный инструмент. Так, например, твердосплавные штампы имеют значительное преимущество по сравнению со стальными лишь при условии, что они эксплуатируются на технически высококачественном прессовом оборудовании, при правильной эксплуатации и тщательном уходе за штампами и при тщательной подготовке штампуемого материала. Конструкция твердосплавной технологической оснастки для бесстружковой обработки отличается от конструкции аналогичной стальной оснастки и должна предусматривать минимальный расход твердого сплава, правильный выбор марки твердого сплава для рабочих элементов и их крепление к стальным корпусам, жесткость конструкций, стабильное и правильное расположение рабочих элементов инструмента. Твердосплавными вставками оснащают только рабочие части инструмента, принимающие непосредственное участие в обработке металла. Эти вставки различными методами крепят к стальным корпусам. Крепление может осуществляться тремя способами: напайкой, запрессовкой и механическим (с помощью винтов, штифтов, клиньев, колец и т. п.).

Напайка — наиболее простой и экономичный способ крепления твердосплавных вставок, так как в этом случае уменьшается расход твердого сплава и снижается трудоемкость его обработки.

Плоскости, по которым напаивают твердосплавные вставки к стальным корпусам, должны быть прошлифованы с целью равномерного прилегания друг к другу на всем протяжении. Напайку, как правило, производят токами высокой частоты. В качестве припоев применяют латунь марок Л62 и Л68, а также припой ПрАМНц0,6-4-2. Для предохранения твердого сплава и стального корпуса от окисления применяют флюс. На рис. 51 и 52 показаны отдельные рабочие детали штампов с напаянными твердосплавными вставками.

Запрессовку твердосплавных вставок в стальные корпуса применяют в основном для вставок цилиндрической формы. Вставки запрессовывают па гидравлических прессах в холодном или горячем состоянии с определенным натягом. Натяг определяется в зависимости от усилий, действующих на вставку. Так, например, величина натяга для вырубных штампов составляет 0,2—0,4%, для вытяжных штампов 0,3—0,5%, для высадочных матриц 1—1,5% от наружных диаметров вставок. Большие натяги можно получить запрессовкой на конус с углом 1,5—3°. Нa рис. 53 показана твердосплавная вставка, запрессованная на конус.

Во избежание разрушений твердосплавных вставок во время запрессовки и работы толщина ее стенок должна быть в пределах 8—15 мм. Вставки должны прилегать к корпусам равномерно во всех точках. С этой целью перед запрессовкой их шлифуют. Механическое крепление твердосплавных вставок может быть осуществлено различными способами. На рис. 54 показаны два варианта такого крепления.

Технология изготовления деталей из твердого сплава, применяемого для бесстружковой обработки, зависит от формы и требуемой точности изготовления изделий. В основном эти детали обрабатывают шлифованием, а также электрофизическими и электрохимическими методами. Если твердосплавные изделия изготавливают из пластифицированных или полуспеченных заготовок твердого сплава, то для их обработки применяют механическую и ручную обработку. Металлорежущий инструмент в данном случае тот же, что и при обработке изделий из стали (резцы, фрезы, сверла и т. п.).

Выбор той или иной марки сплава для конкретного технологического процесса бесстружковой обработки определяется рядом факторов, главные из которых условия обработки, характеристика обрабатываемого материала и эксплуатационные свойства твердого сплава. Ниже рассмотрены отдельные процессы бесстружковой обработки.

Волочение — способ бесстружковой обработки металлов, состоящий в протягивании изделий круглого или фасонного профиля (поперечного сечения) через отверстие, сечение которого меньше сечения исходного изделия. В результате волочения поперечные размеры изделия уменьшаются, а длина увеличивается. Этот процесс широко применяют в производстве пруткового материала, проволоки, труб и т. д. Волочение осуществляют на волочильных станах, которые состоят в основном из инструмента — волоки и тянущего устройства, предназначенного для сообщения обрабатываемому металлу движения через волоку.

Волочение — одна из первых областей применения твердых сплавов в бесстружковой обработке металлов, В настоящее время волоки из металлокерамических твердых сплавов почти полностью вытеснили стальные. Преимущество волок из твердых сплавов перед стальными заключается в высокой размерной стойкости, что позволяет получить обрабатываемый материал с равномерным сечением на всем протяжении и вести волочение при больших скоростях. Кроме того, применение твердосплавных волок обеспечивает повышение качества поверхности обрабатываемого материала.

Обработка волочением характеризуется большим удельным давлением на рабочую поверхность инструмента, большой силой трения и отсутствием ударного воздействия на инструмент. Таким образом, инструмент, предназначенный для волочения, должен обладать большим

сопротивлением пластической деформации, растягивающим усилиям и износу трением. Исходя из эксплуатационных свойств твердых сплавов и практики предприятий, лучшую работоспособность при волочении имеют сплавы вольфрамокобальтовой группы (ВК2, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15), причем марку твердого сплава выбирают исходя из конкретных условий, в которых происходит волочение. К этим условиям относятся свойства обрабатываемого материала, среда, в которой происходит волочение (сухое или мокрое), форма и размеры поперечного сечения обрабатываемого материала, величина его обжатия и т. д. Часто прежде чем начать серийное волочение новой марки материала и формы, проводят экспериментальные работы с целью выбора оптимальной марки твердого сплава и геометрических параметров рабочего канала волоки. Эффективность работы твердосплавных волок во многом зависит от геометрических параметров (формы) рабочего канала волоки. Канал волоки подразделяется на четыре зоны (рис. 55): входная зона 1, рабочая зона 2, калибрующая зона 3 и выходная распушка 4. Каждая зона канала имеет определенное назначение. Так, например, в рабочей зоне уменьшаются размеры поперечного сечения обрабатываемого материала.

Большое значение для размерной стойкости твердосплавных волок имеет их плотность, поэтому для волочения изделий (труб, прутков и т. д.) большого поперечного сечения волоки изготавливают методом горячего прессования, так как этот метод прессования обеспечивает получение волок с высокой плотностью и, кроме того, дает возможность изготавливать волоки крупных размеров. Твердосплавную волоку крепят в стальную обойму методом запрессовки. Для волочения проволоки с малым поперечным сечением (d<0,l мм) заготовки волок выпускают без отверстия, слепые. Заготовки волок без отверстия и с отверстиями подвергают у потребите лей окончательной обработке с целью получения из них инструмента с требуемым размером рабочего канала и необходимой чистотой поверхности.

Штамповка — способ бесстружковой обработки металлов давлением (прессом или молотом), при котором форма изделия определяется формой рабочей части инструментов — штампов. Различают штамповку горячую, когда обрабатываемый материал предварительно нагрет, и холодную. Быстрота производства и идентичность штампованных изделий обусловили широкое применение штамповки в массовом производстве. Твердые сплавы в горячей штамповке пока не нашли широкого применения, хотя работы в этом направлении ведутся. За последние годы широкое распространение получило оснащение твердосплавными вставками рабочих элементов (матриц и пуансонов) вырубных, вытяжных, гибочных и высадочных штампов.

Многочисленную группу штампов составляют штампы для разделительных операций (отрезка, вырубка, пробивка и т. д.). Особенно велика их номенклатура в электротехнической промышленности, где в большом количестве изготавливают пластины различной формы (Ш-образные, П-образные и т. д.) из электротехнических сталей для оснащения электродвигателей и трансформаторов. Электротехнические стали содержат высокий процент кремния и обладают большой твердостью, в результате чего резко снижается срок службы штампов. В среднем стальные штампы при вырубке деталей из электротехнических сталей перетачивают через 10—15 тыс. вырубок. Оснащение матриц и пуансонов вставками из твердых сплавов повышает стойкость штампов в 30—50 раз. Твердосплавные штампы широко применяют при вырубке электротехнических сталей толщиной до 0,5 мм, а также при вырубке деталей из листовых углеродистых сталей (до стали 45) толщиной до 3 мм.

Конструктивно твердосплавные вырубные штампы отличаются от стальных, что обусловливается специфическими свойствами твердых сплавов. Отличие это заключается главным образом в более жесткой конструкции (увеличивают толщину плит штампов, пуансонодержателей, диаметры направляющих колонок, уменьшают вылет пуансонов и т. д.) и обеспечении точного центрирования режущих элементов в течение всего срока эксплуатации штампов.

В процессе эксплуатации вырубных штампов их рабочие элементы (матрицы и пуансоны), оснащенные вставками из твердых сплавов, испытывают систематическую ударную нагрузку, поэтому для таких штампов рекомендуется применять относительно высокопрочные марки твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы: BK15, ВК20.

Пуансоны в работе испытывают большие нагрузки, чем матрицы, поэтому для их изготовления применяют сплавы большей прочности, чем для матриц.

В зависимости от габаритных размеров вырубаемых изделий и их форм матрицы могут быть целиковыми или составными. Пуансоны также могут быть целиком из твердого сплава или оснащаться им. Твердосплавные вставки крепят к стальным корпусам напайкой, запрессовкой или механически.

В промышленности широко применяются вытяжные и гибочные штампы. С помощью этих штампов изготавливают большую номенклатуру деталей в различных отраслях народного хозяйства. В процессе эксплуатации вытяжных штампов их рабочие части подвергаются сильному воздействию штампуемого материала и поэтому сильно изнашиваются. Кроме того, здесь развиваются высокие температуры и удельные давления (до 50—80 кГ/мм2 при вытяжке с утонением), поэтому в стальных штампах частицы обрабатываемого материала часто налипают на рабочие части, что приводит к появлению царапин на изделиях. Применение твердого сплава почти полностью устраняет это явление и повышает стойкость инструмента в 50—100 раз.

Выход из строя твердосплавных вставок на вытяжных и гибочных операциях происходит в результате износа рабочих частей штампов, обусловленного трением между обрабатываемым материалом и деталями из твердых сплавов, а также в результате механического разрушения твердосплавных вставок, которое происходит при высоких удельных давлениях. Экcплуатция этих штампов, оснащенных твердосплавными вставками, по казала, что лучшие стойкостные показатели имеет сплав марки ВК8, а в некоторых случаях (при больших удельных давлениях) сплав ВК15.

Высадка — одна из операций бесстружковой обработки, с помощью которой изготавливают большое количество разных изделий массового производства К этим изделиям относятся, например, метизы (болты, винты, гайки, заклепки), шарики и ролики в подшипниковой промышленности и т. д. Операцию эту проводят на специальных холодновысадочных автоматах. Материал в процессе высадки изменяет форму в результате пластической деформации.

На рис. 56 представлены рабочие части холодновысадочного автомата, оснащенные твердым сплавом, а также показана схема работы инструмента. Твердосплавными вставками оснащают отрезные матрицы, ножи, высадочные матрицы и пуансоны, которые воспринимают всю нагрузку, необходимую для изменения формы высаживаемого изделия. Вставки из твердого сплава, применяемые для высадки, должны обладать большой прочностью при растягивающих усилиях и вместе с тем иметь высокую износостойкость, чтобы обеспечить стабильность размеров высаживаемых деталей в течение длительного времени, Кроме того, они должны противостоять большим ударным нагрузкам. Обычно твердосплавный высадочный инструмент выходит из строя в результате трещин, возникающих в твердосплавных изделиях, или в результате износа. Проведенные исследования и практика работы показывают, что наилучшие результаты на высадке имеют такие высококобальтовые марки сплавов, как BK15, ВК20, а иногда и ВК25.

В последнее время получила распространение холодная высадка гвоздей на проволочно-гвоздильных автоматах высокой производительности. В минуту автомат высаживает 400—900 гвоздей в зависимости от их размера. Одним из путей увеличения выпуска гвоздей является увеличение стойкости инструмента, которое резко влияет на производительность автоматов за счет уменьшения простоев их во время замены инструмента. Оснащение гвоздильного инструмента твердосплавными вставками оказалось наиболее эффективным способом увеличения стойкости этого инструмента.

Опыт эксплуатации проволочно-гвоздильных автоматов с инструментом, оснащенным твердосплавными вставками, показал, что для всего гвоздильного инструмента следует применять сплав ВК20, обладающий наиболее высокой стойкостью.

Стойкость твердосплавного гвоздильного инструмента превышает стойкость стального в 15—60 раз.

На рис. 57 показан гвоздильный инструмент, оснащенный твердосплавными вставками.

Прессование — способ уплотнения материалов, порошков, смесей различных порошков, в том числе и металлических. Прессование осуществляют с помощью пресс-форм, рабочие части которых определяют форму и размеры прессуемых изделий.

Серийное и массовое прессование деталей из весьма абразивных материалов занимает значительное место, особенно в радиотехнической и электронной отраслях промышленности. Изготовление изделий из металлокерамических твердых сплавов также основано на их прессовании в специальных прессформах.

Оснащение рабочих деталей прессформ твердыми сплавами значительно (в 60—100 раз) повышает их стойкость и способствует автоматизации процесса прессования.

Твердосплавные прессформы выходят из строя в результате абразивного износа их рабочих частей, поэтому их оснащают твердыми сплавами марок ВК6М, ВК6, ВК8. Иногда при больших удельных давлениях прессования применяют сплав BK15. Твердосплавные пресс-формы широко применяют при прессовании изделий из ферритного железа, при протягивании трубок и прессовании различных изделий из электровакуумной керамики и стекломассы, при прессовании твердосплавных изделий и т. д.

В зависимости от формы и размеров прессуемых изделий рабочие детали прессформ целиком изготавливают из твердого сплава или оснащают ими. Твердосплавные детали крепят к стальным корпусам пайкой, запрессовкой или механически. На рис. 58 представлена конструкция прессформы, оснащенная твердосплавными вставками, применяемая для прессования пьезоэлементов.

Металлокерамические твердые сплавы используют не только для оснащения указанного выше инструмента. Области его применения постоянно расширяются, что обусловливается появлением новых марок сплавов, разработкой технологических процессов получения твердосплавных изделий сложных форм и различных габаритных размеров, созданием высокопроизводительного оборудования и инструмента для обработки твердых сплавов. В результате такого технического прогресса в последние годы твердосплавный материал стали применять для мелкоразмерного монолитного режущего инструмента, оснащения дереворежущего инструмента, копиров для ленточношлифовальных станков, мерительного инструмента (микрометры, нутромеры и др.), прокатных валков для плющения проволоки, деталей приборов и машин, подвергающихся истиранию в результате трения, различных сопел и деталей, работающих в условиях абразивного износа или химически агрессивных сред и т. д.