Природа трещин чеканочного инструмента (штемпелей)

Природа трещин чеканочного инструмента (штемпелей )

Чеканка. Реплика трещины штемпеля
Чеканка(4) представляет операцию, при которой происходит образование выпукло-вогнутого рельефа на поверхности заготовок за счет местного изменения толщины материала и заполнения им рельефной полости чеканочного инструмента .
Чеканка, в настоящее время, осуществляется на холодноштамповочных кривошипно-коленных быстроходных прессах-автоматах, требующих высоких удельных давлений при небольших рабочих ходах ползуна .
Чеканка производится в закрытых штампах без вытеснения металла из рабочей полости штампа .
В процессе работы пресса энергия удара преобразуется в пластическую деформацию заготовки, в упругую деформацию штемпелей, а часть энергии - в тепловую , что приводит к нагреванию штемпелей .Упругая деформация штемпелей генерирует сжимающие и растягивающие напряжения, а материал заготовки, из-за свойств текучести, не только заполняет форму рельефа, но и перемещается в радиальном направлении от центра заготовки , что ведет к возникновению сил трения между поверхностями чеканочного инструмента и материалом заготовки .
Марки металлов из которых изготавливается рабочий чеканочный инструмент, в дальнейшем по тексту – штемпеля отличаются от марок металлов заготовок твердостью и пределом текучести .
Заготовки монет изготавливаются из латуни, бронзы, медно-никелевого сплава , а также стали и меди с нанесенными плакированными слоями мельхиора или латуни .
Среднее удельное давление прессования составляет 2000 МПа , соответственно рабочие штемпеля изготавливаются из инструментальных легированных сталей обладающих высокой износостойкостью типа Х12Ф1 . Твердость штемпелей после термообработки 59-61 HRC .
Высокое удельное давление прессования сопоставимо с пределом текучести для материала штемпелей . Снижение предела текучести материалов штемпелей , даже на небольшую величину, ведет к пластическим деформациям поверхности самих штемпелей при отсутствии заготовки .
Установленный ресурс штемпелей зависит от толщины и марки штампуемого материала, марки материала штемпелей, используемого оборудования и может составлять до 600 тыс.циклов .
На основании многолетних статистических данных причин отказа штемпелей (4)– выработка установленного ресурса по количеству ударов составляет 38% , а появление трещин на штемпеле составляет 10% .
При чеканке материал заготовки заполняет полость трещины штемпеля и на монете остается выпуклый оттиск трещины - реплика .
Реплику трещины на монете будем использовать для классификации трещин штемпелей.
Скорость чеканки зависит от марки используемого оборудования и составляет от 3 монет в секунду, что позволяет с помощью реплик отследить историю развития трещин.
В дальнейшем, ниже по тексту, реплика трещины на монете – трещина штемпеля .

Причины зарождения трещин в штемпелях: остаточные напряжения, конструктивные и приобретенные концентраторы напряжений
Остаточные напряжения возникают при усилиях растяжения и сжатия и сохраняются внутри изделия. после прекращения усилий .
Классификация уравновешивающихся остаточных напряжений впервые была приведена академиком Н.Н.Давиденковым (5). Рассмотрим классификацию в следующей формулировке :
- остаточные напряжения 1-ого рода (макроскопические), имеют ориентацию, связанную с формой изделия .
- остаточные напряжения 2-ого рода (микронапряжения, кристаллитные), распространяются на отдельные зерна металла или группу зерен
- остаточные напряжения 3-его рода (субмикроскопические), относятся к искажениям атомной решетки кристалла .
Остаточные напряжения всех видов существуют совместно друг с другом, суммируются , достигая на некоторых участках критической величины , что может привести к зарождению микротрещин .
Существуют две физические причины возникновения микротрещин сходные с явлениями фазовых превращений : вакансионное зарождение и образование микротрещин
вследствие слияния дислокаций .
Внутренние напряжения в изделиях возникают на этапах термообработки, механообработки, шлифовки (где присутствуют процессы нагревания и охлаждения), а также в процессе чеканки - за счет упругой деформации генерирующей сжимающие и растягивающие напряжения .
При нарушениях технологических режимов изготовления (термообработки, шлифовки) внутренние напряжения возникают неконтролируемо и достаточно большой величины , что может привести к возникновению микротрещин или даже к разрушению заготовок
Местные изменения сплошности или однородности (концентраторы напряжений) приводящие к местному(локальному) повышению напряжений , также могут привести к зарождению микротрещин .
Понятие “концентрация напряжений” ввел профессор Инглис : концентрация напряжений – число, показывающее, во сколько раз локальное напряжение превышает среднее значение напряжений.
Инглис обратил внимание, что сквозной эллиптический вырез в пластине создает локальные напряжения на границе выреза во много раз превышающие средние напряжения на удалении от выреза :
σгр. = σср. (1+2(a/b)) , где a,b – большая и малая полуоси эллипса (1)
Причем локальные напряжения не связаны с размерами выреза, а зависят только от формы выреза .
К конструктивным граничным концентраторам напряжений отнесем кромки штемпеля .
К конструктивным поверхностным концентраторам напряжений отнесем : острые углы, выточки, границы полостей выпукло-вогнутого изображения .
Конструктивные поверхностные концентраторы напряжений находятся на различных высотах на выпукло-вогнутом изображении друг относительно друга и создают неоднородность .
К приобретенным концентраторам напряжений отнесем мелкие острые сколы приобретенные в результате усталости материала штемпелей .
Следовательно, причинами зарождения трещин могут быть высокие внутренние остаточные напряжения, конструктивные и приобретенные концентраторы напряжений , а также комбинации этих факторов .

Рост трещин в результате ударного воздействия и ослабления поверхностного слоя
Микротрещины, зарождающиеся в изделиях, должны располагаться в соответствии с напряженным состоянием . При напряженном состоянии во всем объеме изделия следует ожидать глубоких трещин, а при двухосном напряженном состоянии в поверхностном слое .
Штемпеля с трещинами выходящими на поверхность отбраковываются на этапах пооперационного технического контроля, а штемпеля с внутренними трещинами , с остаточными внутренними напряжениями различной величины могут быть использованы в качестве чеканочного инструмента .
Микротрещины размерами от 10-9 до 10-7 м могут существовать достаточно длительное время в указанном диапазоне. Существующая в теле трещина станет распространяться, если высвобождение энергии деформации на единицу длины трещины превзойдет работу на разрыв связей .
Причинами распространения трещин являются сжимающие и растягивающие напряжения возникающие в процессе чеканки и ведущие к перераспределению внутренних напряжений штемпелей, которые могут достичь критичной величины на некоторых участках, а также обезуглероживание, со временем, поверхностного слоя штемпелей - приводит к снижению критичной величины работы на разрыв связей .Ослабление поверхностного слоя, со временем, происходит также из-за трения между поверхностями штемпелей и материалом заготовок .
Трещина после превышения размеров 10-7 м представляет собой мощный
концентратор напряжений и может уже быстро расти за счет сконцентрированных напряжений в процессе ударных воздействий при чеканке :
Чем острее кончик трещины, тем большую величину напряжения она концентрирует, а с увеличением длины(глубины) увеличивается и скорость роста трещины .
Каталог отклассифицированных трещин штемпелей в виде реплик можно получить по заявке по электронной почте указанной в http://inginer.ru/contacts.html

Используемая литература :
1. ГОСТ 22472-87 Штампы для листовой штамповки. Общие технические условия
2. ГОСТ 5950-2000 Прутки, полосы, мотки из инструментальной стали. Общие технические условия
3. ГОСТ 25.506-85 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости ( вязкости разрушения ) при статистическом нагружениии
4. Орлов С.В., Чулкин С.Г., Жуков В.А. Деградация рельефа поверхности чеканочного инструмента, Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы Международной науч.-практ.конференции, СПб,Из-во Политех.ун-та, 2011г.
5. Давиденков Н.Н. К вопросу классификации и проявлении остаточных
напряжений, Заводская лаборатория , №3 , 1958г.