У вступі коротко викладено сучасний стан проблеми й обґрунтовано актуальність дослідження, показано новизну, практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача, наведено відомості з апробації роботи, структуру і обсяг дисертації.
У першому розділі розглянутий сучасний стан досліджень стійкості розділових штампів, напруженого стану ріжучих елементів штампів, проведений аналіз існуючих способів підвищення стійкості ріжучих елементів та нанесення зносостійких покриттів.
В роботах Фукс-Рабиновича Г.С., Степанського Л.Г. та ін., присвячених вивченню механізмів зношування штампових сталей вказується, що питомі навантаження, що діють на ріжучих елементах вирубних штампів, знаходяться на рівні 1000…1800 МПа. Внаслідок цього період нормального зношування штампів нетривалий, іноді навіть до 103 циклів. Зношування робочих граней вирубного штампу (торцеве та бокове) реалізується за різними механізмами.
В роботах Степанського Л.Г. та ін. проведений аналіз напруженого стану ріжучих кромок з використанням наступних допущень. Ріжучі кромки інструменту руйнуються через дію на їх торцеві ділянки циклічного напруження розтягу. Ці напруження викликані згином кромок локально прикладеним навантаженням на стадії вкорінення кромок в матеріал. Але як показують дослідження Фукс-Рабиновича Г.С., Михаленка Ф.П. та інших, механізм зношування ріжучих кромок досить складний та включає декілька етапів: припрацювання, стабільної роботи та катастрофічного зношування. Кожному етапу відповідають свої механізми зношування, наприклад, на етапі припрацювання головним є адгезійний та абразивний механізми, при катастрофічному зношуванні – абразивний та втомний. Це дає можливість використання різних методів зміцнення ріжучих елементів для підвищення стійкості.
Велике значення в розвитку теорії та практики процесів формування зносостійких покриттів належить вітчизняним вченим Самсонову Г.В., Верхотурову А.Д., Ляшенку Б.А., Лазаренку Б.Р., Тимощенку В.А., Михаленку Ф.П., Іванову Г.П. та іншим, а також зарубіжним вченим ArataY., BarashM., WilliamsE.H. та ін. Відомі способи зміцнення (термічні, хіміко-термічні та інші) дозволяють підвищити стійкість розділових штампів у 2-3 рази. Однак більшість відомих способів мають той суттєвий недолік, що при роботі штампу внаслідок динамічного навантаження зміцнений прошарок часто сколюється або відшаровується. Багато з відомих способів технологічно довготривалі по виконанню, дорогі, екологічно шкідливі та вимагають спеціального обладнання. Електроіскрове зміцнення не має вказаних недоліків, вирізняється простотою та малою трудоємкістю процесу і дає монолітний шар матеріалу, що міцно зчеплений з робочими кромками пуансона та матриці штампу. Цей спосіб дає можливість багатократно зміцнювати окремі зношувані ділянки робочих частин штампів.
Численними дослідженнями (Іванов Г.П., Самсонов Г.В., Верхотуров А.Д., Ляшенко Б.А. та інші) встановлено, що структура зміцненого прошарку нагадує структуру азотованого шару. Схематично зміцнений прошарок складається з двох частин: верхній білий шар, що не піддається травленню, та нижній шар (підшар) дифузійний, з сильно зміненою структурою, яка поступово переходить в структуру основного металу. Підвищення мікротвердості і, відповідно, межі текучості збільшує опірність нормальним напруженням, які викликають зминання ріжучих кромок, а також сприяє покращенню умов змащування, завдяки утриманню змащувального матеріалу в порах.
Аналізуючи роботи Бойцова А.Г., Машкова В.Н., Хворостухіна Л.А. та ін. можна зробити висновок, що доцільно застосовувати багатошарові покриття, так як з’являється можливість отримання нового комплексу властивостей поверхні. Принцип багатошаровості може бути застосований для підвищення міцністних властивостей покриттів, зниження пористості, релаксації внутрішніх напружень. Багатошаровістю покриття збільшують його в’язкість та опір розтріскуванню. Нанесення шарів твердих, а значить, крихких матеріалів з в’язкими прошарками забезпечує цілий комплекс корисних властивостей (зносостійкість та антифрикційні властивості, опір втомі та опір корозії). Нанесення багатошарових покриттів дозволяє отримувати дрібнозернисті покриття, підвищувати міцністні властивості покриттів, підвищувати в’язкість та опір розтріскуванню, локалізовувати та заліковувати мікротріщини, знижувати залишкові напруження або формувати залишкові напруження стиску, керувати градієнтами твердості та залишкових напружень по глибині.
З приведеного аналізу можна зробити висновок, що основними напрямками підвищення експлуатаційних властивостей деталей з покриттями є: підвищення міцності зчеплення з основою, покращення структури покриття, фінішна обробка поверхонь для забезпечення потрібної точності та мікрогеометрії. Ці задачі можуть бути розв’язані використанням комбінованого зміцнення, яке включає ППД-ЕІЛ-ППД-ЕІЛ-ППД із зміною матеріалу електродів.
Проведення зміцнення шляхом ППД перед електроіскровим легуванням повинно позитивно вплинути на структуру матеріалу, збільшивши густину дислокацій. Це призведе до збільшення ефективності процесу ЕІЛ, проникнення твердих частинок на більшу глибину. Дослідження в цьому напрямку малочисельні та недостатні. Необхідно також дослідити розподіл напружень на ріжучих кромках з визначенням ділянок, які в подальшому будуть зміцнені.
Виходячи з наведеного, була визначена мета та сформульовані задачі досліджень.
У другому розділі обґрунтований вибір та описані методики виконання теоретичних та експериментальних робіт з дослідження стійкості ріжучих елементів з поверхневим зміцненням.
При дослідженні НДС пуансонів та матриць при пробиванні листових матеріалів та ножів при різанні дроту використовувалась методика чисельних досліджень методом скінченних елементів з використанням програм Deform 2Dта Deform 3D.
При виконанні зміцнюючої обробки ріжучих елементів були розроблені та використовувались оригінальні технології та методики:
- технологія зміцнення пуансонів розділових штампів та деталей машин циліндричної форми поверхневим пластичним деформуванням (обкочування роликом та кулькою);
- технологія поверхневого зміцнення робочих елементів штампів електроіскровим легуванням;
- технологія комбінованого поверхневого зміцнення, яка включає послідовне виконання операцій обробки тиском та ЕІЛ різними електродами в декілька прошарків.
В ході вивчення процесу ЕІЛ та його впливу на ріжучі кромки були розроблені методики дослідження основних параметрів процесу ЕІЛ (питомого часу обробки, струму в імпульсі розряду, глибини зміцненого прошарку).
Для попередньої оцінки стійкості ріжучих елементів розроблені такі методики лабораторних досліджень:
- методика випробувань на тертя та зношування на машині тертя (моделювання бокового зношування пуансонів розділових штампів);
- методика випробувань ріжучих елементів на крайове зношування.
Для проведення експериментальних досліджень стійкості ріжучих елементів розроблена методика натурних випробувань на стійкість ріжучих кромок розділових штампів при різанні дроту та методика оцінки зносостійкості.
Для оцінки впливу макро- та мікроструктурних факторів на зношування ріжучих кромок при проведенні досліджень використовувались такі методики:
- вимірювання мікротвердості – для оцінки зміни механічних властивостей поверхонь, які зміцнюються, для визначення товщини зміцненого прошарку;
- методика растрової електронної мікроскопії та хімічного аналізу – для вивчення структури комбінованих покриттів, встановлення та дослідження механізмів їх зношування.
