Утилизация абразивных отходов с целью их использования для повышения ресурса штамповой оснастки

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.787.4

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

¹НПЦ «Прогресс», г. Омск, Россия

Утилизация абразивных отходов с целью их использования для повышения ресурса штамповой оснастки

А.П. Моргунов, Н.А. Матвеев¹, А.В. Лямцев¹

Аннотация

абразивный деталь штамповка фрагмент

Абразивная обработка является наиболее широко применяемым способом достижения точности формы деталей и требуемого качества поверхности. Воздействуя на поверхность детали, абразивные частицы постепенно изнашиваются. Фрагменты абразива вместе с крошками материала связки и мелкой стружкой обрабатываемого материала образуют механическую смесь (шлам). Используя разделительную установку, можно отделить фрагменты абразива и использовать их в качестве защитного слоя рабочей поверхности пуансона при листовой штамповке с целью повышения износостойкости его рабочей поверхности.

Ключевые слова: шлам, абразивный инструмент, вихревой эффект Ранка, абразивные частицы, сопло, вихревая труба, селекция частиц по размеру.

Наиболее стойким абразивным инструментом являются алмазные круги, у которых алмазные зёрна (абразивные частицы) связаны бакелитовой, керамической или металлической связкой. В зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и от режима обработки (скорости резания, глубины резания и скорости подачи) абразивные частицы либо постепенно изнашиваются, уменьшаясь в размере, либо выкрашиваются, отрываясь от связки, либо выкрашиваются, дробясь на более мелкие частицы при соударении с обрабатываемой прерывистой поверхностью.

В процессе листовой штамповки в качестве материалов деталей холодновысадочной оснастки используются конструкционные и инструментальные стали, а также твёрдые сплавы. Широкое распространение получили конструкционные легированные стали 12Х2Н4А, Х12М, Х12Ф1, 9ХС, ЭИ161, ШХ15, 30-50ХГСА, 5ХНВ, ЭИ944, 6ХФ и др. Более износостойкими, особенно при высоких температурах (900 - 1150 °C), являются твёрдые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана, хрома, тантала при различном содержании кобальта или никеля. Твёрдые сплавы стандартных марок выполнены на основе карбидов вольфрама, титана и тантала. В качестве связки используется кобальт [1]. Карбиды вольфрама и титана имеют высокую твёрдость, кобальт придаёт сплавам вязкость и снижает температуру спекания [2]. По способу производства твёрдые сплавы делятся на металлокерамические (спечённые твёрдые сплавы) и литые [3, 4]. Главной особенностью спечённых твёрдых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии, и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.). Металлокерамические твёрдые сплавы применяются для изготовления режущего инструмента, применяемого для обработки углеродистых и легированных сталей, также для изготовления волочильных фильер, штампов, пресс-форм, а также других инструментов и деталей.

Специальные твёрдые сплавы обладают в десятки раз большей износостойкостью, чем самые эффективные быстрорежущие стали.

Металлокерамические твёрдые сплавы представляют собой сплавы карбидов некоторых тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала) с добавками кобальта в качестве цементирующего металла. Карбиды вольфрама и титана имеют высокую твёрдость, кобальт придаёт сплавам вязкость и снижает температуру спекания.

К литым твёрдым сплавам относится большая группа твёрдых сплавов, напыляемых или наплавляемых на детали механизмов и машин, подверженные абразивному износу, эрозии или коррозии, например, стеллиты (Cr, W, Ni, C; основа Co), сормайты (Cr, Ni, C; основа Fe), стеллитоподобные (основа Ni). Их применение позволяет в 2-4 (иногда в 10-20) раз увеличить срок службы быстроизнашивающихся деталей механизмов и машин, в том числе автомашин, тракторов, комбайнов и т. д. Литые твёрдые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др.). Порошковые твёрдые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.

Отечественная промышленность выпускает металлокерамические сплавы трёх групп: однокарбидные - вольфрамовые (ВК), двухкарбидные - титановольфрамовые (ТК) и трёхкарбидные - титанотанталовольфрамовые (ТТК) [5]. В зависимости от состава твёрдые сплавы подразделяются гл. обр. на:

- вольфрамокобальтовые (вольфрамоникелевые), содержащие WC с кобальтовой (никелевой) связующей фазой, состава WC-Co (WC-Ni) - обозначают буквами ВК;

- титановольфрамокобальтовые состава TiC-WC-Co - обозначают буквами ТК;

- титанотанталовольфрамокобальтовые состава TiC-TaC-WC-Co - обозначают буквами ТТК.

Сплавы первой группы (например, ВК3, ВК8) применяются при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы и др.

Сплавы второй группы (Т5К10, Т15К6 и др.) предназначены для обработки более вязких материалов: стали, латуни и т.д.

Сплавы третьей группы (например, ТТ7К12) используют для грубой черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую прочность, чем сплавы ТК.

В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твёрдых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы:

В - вольфрам

Т - титан

ТТ - (второе Т) тантал

К - кобальт

с цифрами: после Т - содержание TiC, % по массе, после ТТ - суммы карбидов Ti и Ta, после К - Co;

в сплавах ВК после цифры иногда добавляют буквы В, М, ОМ, КС или К, указывающие на крупность зёрен WC (крупно-, мелко-, особомелко-зернистые сплавы) и технологические особенности производства.

Существуют также безвольфрамовые твёрдые сплавы состава TiC-Ni-Mo или Ti(C, N)-Ni-Mo.

Всё большее значение приобретает производство безвольфрамовых твёрдых сплавов. Их выпуск позволяет заменить относительно дорогой вольфрам более дешёвыми металлами, расширить номенклатуру твёрдых сплавов со специфическими свойствами, создать твёрдые сплавы с более высокими эксплуатационными характеристиками [3].

Не смотря на применение высококачественных материалов для изготовления штамповой оснастки, стойкость рабочих поверхностей пуансона и матрицы недостаточно высокая. С целью повышения износостойкости на рабочие поверхности наносится слой абразивных частиц, извлечённых из шлама, получающегося в результате шлифования алмазными кругами.

После процесса отделения абразивных частиц от шлама, который представляет собой мелкую стружку из материала заготовки и материала связки абразивного круга, твёрдые абразивные частицы подверглись селекции по наибольшему размеру с помощью просеивания. Способ разделения компонентов, присутствующих в шламе, основан на применении вихревого эффекта Ранка, сущность которого изложена в работах В.И. Кузнецова [6, 7, 8].

Вихревой эффект заключает в себе сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа. Это явление, названное впоследствии эффектом Ранка, заключается в том, что если в трубу (рис. 1) подать закрученный поток газа, то в ней при определённых условиях будет происходить температурное разделение газа.

Рис. 1. Схема вихревой трубы для разделения частиц по массе и нанесение их на поверхность заготовки.

Устройство содержит питатель для подачи частиц 1 и вихревую трубу 2, состоящую из тангенциального сопла 3, трубы 4 и диафрагмы 5, через которую частицы поступают в вихревую трубу. К выходу вихревой трубы присоединена приёмная камера 6 с эжектирующими окнами 7 для подачи сепарирующего потока воздуха. Приёмная камера имеет бункер 8 для сбора отделённых частиц и шлюзовой затвор 11 для их выхода. Для выхода воздуха служит патрубок 12. Для регулирования чёткости воздушного разделения лёгких и тяжёлых частиц в приёмной камере имеется поворотный клапан 13. Компрессор, подающий воздух в вихревую трубку, в эжектирующие окна и подводящие трубопроводы, на схеме условно не показаны.

При подаче воздуха от компрессора в тангенциальное сопло 3 вихревой трубы 2 движение воздушного потока вдоль трубы 4 происходит по спирали, из-за чего вблизи оси трубы образуется область низкого давления. В результате этого частицы засасываются из подающего бункера 1 и попадают в область разряжения. Из-за внезапного неравенства давлений частицы с меньшей массой отделяются от частиц с большей массой, происходит процесс сепарирования. Окончательное разделение частиц завершается в приёмной камере 6 потоком воздуха, поступающего через эжектирующие окна 7 (в которых воздух также поступает от компрессора) и пересекающего струю отделённых частиц в полёте. Частицы с большей массой попадают в бункер 8 и выводятся через шлюзовой затвор 9, а частицы с меньшей массой увлекаются потоком воздуха и поступают в бункер 10, из которого выводятся через шлюзовой затвор 11. Частицы из шлюзового затвора 11 попадают на заготовку 15 с предварительно нанесённой на неё пластичной смазкой 14. Чёткость воздушного разделения частиц осуществляется поворотом клапана 13. Интенсивность процесса разделения регулируется расходом воздуха и давлением на входе в вихревую трубу 4.

Рис. 2. Схема нанесения абразивных частиц на обрабатываемую поверхность заготовки - тело вращения.

Рис. 3. Схема нанесения абразивных частиц на плоскую обрабатываемую поверхность.

На рис. 2 и 3 представлены схемы нанесения абразивных частиц на поверхность заготовки - тело вращения и плоскую заготовку соответственно. На заготовку 1 с предварительно нанесённой на неё пластичной смазкой 2 из сопла вихревой трубы 3 абразивные частицы 4 наносятся на поверхность.

Заключение

В зависимости от режима абразивной обработки и от структуры абразивного инструмента размер абразивных частиц колеблется от 10 мкм до 200 мкм и более. При высокоскоростном шлифовании - около 20 тысяч оборотов в минуту шлифовального круга алмазные зёрна круга разрушаются на более мелкие фрагменты или отрываются от связки целиком без разрушения. В связи с этим предлагаемый способ разделения частиц по массе, объёму и плотности в настоящем не имеет альтернативы. Целесообразность применения предложенного способа селекции абразивных частиц не вызывает сомнений.

Список литературы

1. Инструментальные твёрдые сплавы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rostprom.com/spravochniki/stali3.html (дата обращения: 21.12.2010).

2. Лейкин, А. Е. Авиационное материаловедение / А. Е. Лейкин, Э. С. Пороцкий, Б. И. Родин. - М.: Машиностроение, 1964. - 459 с.

3. Колчин, О. П. Твёрдые сплавы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bse.sci-lib.com/article109304.html (дата обращения: 21.12.2010).

4. Твёрдые металлокерамические сплавы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.info.instrumentmr.ru/instrum_material.shtml#tverd (дата обращения: 21.12.2010).

5. Машиностроительные материалы. Твёрдые сплавы и минералокерамические [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://bibliotekar.ru/slesar/16.htm (дата обращения: 21.12.2010).

6. Барсуков, С. И. Вихревой эффект Ранка / С. И. Барсуков, В. И. Кузнецов. - Иркутск: Изд. ИГУ, 1983. - 121 с.

7. Кузнецов, В. И. Теория и расчёт эффекта Ранка / В. И. Кузнецов. - Омск: ОмГТУ, 1994. - 217 с.

8. Кузнецов, В. И. Вихревой шелушитель / В. И. Кузнецов, В. В. Макаров // Омский научный вестник. - 2000. - № 10. - С. 58-60.

Размещено на Allbest.ru