Обзор методов изготовления детали типа "кольцо" из твердого сплава в мелкосерийном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обзор методов изготовления детали типа «кольцо» из твердого сплава в мелкосерийном производстве

Мякишев Алексей Александрович

Омский государственный технический университет, г.Омск, Россия

Аннотация

В работе рассматривается технология изготовления деталей типа кольцо, втулка из твердого сплава, методом изостатического формования, методом пластифицированных заготовок и сваркой спеканием. Проанализированы достоинства и недостатки данных методов, с точки зрения объема выпуска изделий. Сделаны выводы о целесообразности использования метода сварки спеканием в мелкосерийном производстве при изготовлении детали кольцо.

Ключевые слова: технология, твердый сплав, изостатическое формование, пластифицированные заготовки, спекание.

С развитием машиностроения, области применения твердых сплавов не ограничились только в качестве инструмента (металлорежущего, горного, инструмента для бесстружковой обработки), но и в производстве износостойких материалов для оснащения мерительного инструмента и быстро изнашивающихся деталей в машиностроении и приборостроении. Основной сложностью изготовления деталей и узлов машин из твердых сплавов, является высокая трудоемкость, связанная с особенностями технологического процесса, поэтому применение данных изделий ограничено, хотя, износостойкость, полученная от замещения стальных деталей твердосплавными может достигать 10 - 20 раз.

Условия работы, при которых применение, износостойких металлов и сплавов с защитным покрытием, не обеспечивает минимально необходимого ресурса, который могут обеспечить твердые сплавы. Примером могут служить детали и узлы телеметрических систем для горизонтального бурения скважин, которые подвергаются интенсивному абразивному и эрозионному износу, коррозии, образующейся вследствие прокачки через систему агрессивных буровых растворов с включением песка под высоким давлением. Частый подъём, переборка, дефектация и замена узлов влечет за собой дополнительные расходы на подъем системы с забоя, простой оборудования и работников скважины. В подавляющем большинстве такие телеметрические системы разработаны за рубежом, что накладывает дополнительные трудности при ремонте и эксплуатации, как отдельных узлов, так и всей телесистемы. Основными деталями выполняющие защитные функции и подверженными максимальному износу являются детали типа «тонкостенное кольцо», втулка различных типов сложности (Рис.1), поэтому существует острая необходимость в импортозамещении комплектующих и разработка собственных телеметрических систем. Для этого, необходимо разработать и обобщить технологические приемы и методы изготовления, разработанные в мире и в России.

Рис.1 Пример типовых изделий

Типовая технология получения изделий из твердого сплава выглядит следующим образом:

Одной из наиболее сложных операций для получения изделий с отношением высоты к диаметру более 1-2, является операция формования.

Основным методом формования для изделия типа втулка, кольцо используют изостатическое формование (гидростатическое, газостатическое, формование в эластичных оболочках) - метод всестороннего обжатия, позволяет получить прессовку с тонкими стенками и обладающую равномерной объемной плотностью.

заготовка сварка спекание деталь

Рис.2 Приспособление для гидростатического прессования: (1. Стальная трубка с отверстиями 2. Резиновая оболочка 3. Наружная резиновая оболочка 4. Стальная трубка 5. Центрирующие трубки 6. Шихта 7. Металлические кольца)

Сущность метода можно рассмотреть на примере приспособления (Рис.2). В резиновый тонкостенный рукав 2 вкладывают стальную трубку с отверстиями 1, жидкость проникает в отверстия, давит на резиновую оболочку и уплотняет шихту 6 в радиальном направлении, прижимая её к стальной трубке 4. Также жидкость давит и на наружную резиновую оболочку 3, которая закреплена на торцах металлическими кольцами 7. Резиновая оболочка 4, растягиваясь давит на центрирующие втулки 5, которые уплотняют смесь в осевом направлении. После снятия давления на гидростате изделие подвергается спеканию. Прессовки имеют равную плотность во всех направлениях, прочность спрессованных брикетов выше, чем при обычном прямом прессовании.

Недостатки: применение сложных установок (гидростатов), сложность в изготовлении приспособлений для формования, особенно при выпуске изделий мелкой серией - себестоимость изделия возрастает на порядок.

Для деталей единичного (разового) изготовления широко применяется метод пластифицированных заготовок - этот метод основан на введении в твердосплавную смесь пластифицирующего вещества (пропитка парафином).

В смесь карбидов вводят пластификатор, прессуют обычным прямым прессованием в брикеты, которые спекают при температуре не превышающей температуру начала усадки, обычно, это около 800-900С и вследствии выгорания пластификатора на выходе получается заготовка с пористостью 35-40%, поры заполняются парафином при их пропитки. После этого заготовки подвергают механической обработки: токарной, фрезерной, сверлению.[5] Данный метод позволяет получить твердосплавные изделия практически любой сложности, дает возможность получить несколько типов изделий при применении одного пресс инструмента, сократить припуск на обработку после окончательного спекания, но и имеет ряд недостатков:

- необходимо строго соблюдать температурные режимы пропитки, скорость пропитки т.к. пропитка может быть не полной и это отразится на механической обработке - заготовки будут крошиться;

- применение специальных приспособлений для пропитки изделий парафином, ( специальные ванны с подогревом, печи для отгонки парафина);

- большой отход дорогостоящего сырья в стружку (обычно 20-40%, но может достигать 60% в зависимости от требуемой геометрии изделия).

Для получения простых геометрических форм (цилиндрических, конических, как наружных так и внутренних) на практике, возможно, применять токарную обработку и без пластифицирования, предварительно спеченной, заготовки. Обработку необходимо проводить за одну установку, в приспособлении позволяющем распределить усилия зажима равномерно по всей площади фиксации в станке, так как заготовки имеют повышенную хрупкость. Скорость резания при этом составляет не более 30 м/мин. Применение СОЖ в данном случае не допустимо, так как заготовка имеет высокую пористость и остатки СОЖ разорвут заготовку изнутри при вакуумном спекании. К недостаткам метода можно отнести: высокий процент излома заготовок, около 15% в партии, низкая стойкость инструмента при точении, ограниченный выбор видов механической обработки.

С точки зрения экономии дорогостоящей смеси карбидов, целесообразно применять метод сварки спеканием или капиллярную (диффузионную) сварку особенно для изделий типа «тонкостенное кольцо». Способ сварки основан на способности твердосплавных заготовок привариваться друг к другу, с появлением на стыках жидкой фазы.

Заготовки формуют обычным прямым прессованием, спекают, шлифуют и полируют места стыков до шероховатости 0,04-0,08 мкм. После этого проводят специальную подготовку поверхности: обезжиривание, нанесение металла-связки, в последствии, экспериментально доказано, что нанесение металла-связки необязательно, и спекают повторно [4]. Этот метод позволяет получить любое соотношение высоты к диаметру заготовки, ограниченную только размерами камеры печи для спекания. Возможно осуществить получение деталей типа «стакан», причем данный способ не требует применения специального оборудования, как для изготовления пресс-форм, так и для процесса формования.

Рис.3 Типовая пресс-форма для изделия типа «втулка»

Рис.4 Схема получения деталей методом сварки спеканием

На рис.4 детали №1,2,3 получены простым прямым формованием в стальной пресс-форме (Рис.3), спечены окончательно, отшлифованы по месту стыков и после повторного спекания (сварки спеканием) имеют вид цельного изделия, которое можно подвергать окончательному шлифованию.

Вывод: для получения изделий типа втулка, кольцо с отношением высоты к диаметру более 1-2, при выпуске мелкой серией, целесообразно применять метод сварки спеканием и обработку резанием. Не смотря на увеличение операций в технологическом процессе, использование данных методов ведет к сокращению затрат и времени на изготовление изделий ограниченной серии, за счет исключения сложного процесса изостатического формования и использования универсального оборудования в технологическом процессе.

С учетом выше изложенного, технологический процесс будет выглядеть следующим образом:

Рис.5. Детали, полученные совокупностью технологических методов: предварительное точение и сварка спеканием, материал ВК-8

Список литературы

1. Порошковая металлургия Кипарисов С.С., Либенсон Г.А., М., «Металлургия», 1980. 496 с.

2. Процессы порошковой металлургии В 2-х т. Т.2. Формование и спекание: Учебник для вузов / Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарицкий Г.В. - М.: «МИСИС»,2002.- 320с.

3. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. Учебное пособие для вузов / Панов В.С., Чувилин А.М.- М.: «МИСИС», 2001.- 428 с.

4. О.А. Гутфрайнд, Г.П.Злобин, Л.А. Баран Получение крупногабаритных заготовок из сплава на основе карбида хрома совместным спеканием составных прессовок. ВНИИТС сборник научных трудов., 1987. с. 129-131.

5. Твердые сплавы в мелкосерийном производстве. Муха И.М. - Киев : Наук. думка, 1981.- 168 с.

Размещено на Allbest.ru