Устройство для формирования изделий из порошкового материала

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к устройствам для формообразования изделий из порошковых материалов, в частности, для формообразования тонкостенных цилиндрических изделий.
Известна традиционно используемая технология формообразования изделий из порошковых материалов, включающая воздействие статического давления, создаваемого прессом, на порошковый материал, помещенный в пресс-форму, имеющую формообразующую полость, обеспечивающую формирование изделия заданной формы.
Так, например, известно устройство для прессования металлических порошков по патенту RU 2025215, предназначенное для изготовления полой фасонной детали.
Данное устройство содержит пресс-форму, включающую матрицу со сквозной центральной полостью, верхний пуансон, имеющий фасонную формообразующую часть, и нижний пуансон. Верхний пуансон связан со средством создания статического давления прессования, действующего на порошок в направлении продольной оси пресс-формы. Нижний пуансон выполнен в виде полого цилиндра, установленного в нижней части сквозной полости матрицы. Пресс-форма также содержит стержень, проходящий сквозь полость нижнего пуансона и верхнюю часть полости матрицы, размещенный с возможностью продольного перемещения. Верхняя часть полости матрицы имеет формообразующую боковую поверхность, а диаметр стержня соответствует диаметру полости изготавливаемой фасонной детали.
Порошок засыпают в формообразующую полость, образованную боковой поверхностью верхней части матрицы и наружной поверхностью стержня, после чего стержень опускают вниз на расстояние, соответствующее высоте детали, и воздействуют с помощью верхнего пуансона на помещенный в пресс-форме порошковый материал статическим давлением.
Однако с помощью устройств статического прессования не всегда удается обеспечить высокое качество получаемых из порошковых материалов изделий. Так, в частности, сложно добиться, особенно в случае формообразования протяженных тонкостенных изделий, например таких, как тонкостенные протяженные цилиндры (толщина стенки много меньше диаметра и высоты цилиндра), равномерности плотности материала в объеме формуемого изделия, что приводит к ухудшению его эксплуатационных характеристик. Для достижения лучшей равномерности плотности материала с помощью устройств статического прессования приходится формовать заготовки со значительно большей, чем в готовом изделии, толщиной стенки, а потом подвергать заготовки значительной механической обработке. Это приводит к увеличению расхода материала и объема механической обработки.
Известна технология формообразования изделий из порошковых материалов, включающая воздействие на порошок статического давления и ультразвуковых (УЗ) колебаний.
За счет УЗ колебаний ослабляются силы внешнего и внутреннего трения, испытываемые частицами порошка, разрушаются арочные образования между ними, что обеспечивает более плотную укладку частиц, способствует более равномерному распределению пор и частиц по объему прессуемого изделия, а также позволяет снизить величину прессующего статического давления.
Так, известно устройство для формообразования изделий из порошковых материалов опубликованное в Вестнике ТвГУ. Серия «Физика». Выпуск 12. УЗ формообразование электрофизической керамики (обзор) на стр. 39, которое выбрано в качестве ближайшего аналога - прототипа.
Данное устройство содержит одноместную пресс-форму, средство для создания статического давления прессования, а также колебательную систему для возбуждения в формуемом изделии УЗ колебаний, действующих вдоль его продольной оси, включающую УЗ генератор, акустический преобразователь, концентратор УЗ колебаний.
Пресс-форма содержит матрицу, в которой выполнена только одна формообразующая полость для засыпки порошка, в частности, обеспечивающая получение изделия в форме диска, а также подвижно расположенный в верхней части указанной полости пуансон, с помощью которого на порошок воздействуют статическим давлением, направленным вдоль продольной оси формуемого изделия.
Указанное устройство позволяет получить достаточно качественное изделие с равномерным распределением плотности по его объему.
Однако данное устройство не обеспечивает высокую эффективность работы, особенно при использовании его для формообразования протяженных тонкостенных изделий. Это обусловлено малой производительностью устройства, так как в одном производственном цикле получают только одно изделие, при этом каждый раз приходится осуществлять подготовку пресс - формы (сборку, смазку). Кроме того, формуемые тонкостенные изделия имеют небольшую величину контактной рабочей поверхности прессования, в результате чего усложняется процесс регулирования удельного давления прессования, а использование прессового оборудования средней и высокой мощности становится возможным только на минимальных для прессов значениях удельного давления. При этом в устройстве отсутствуют средства автоматического поддержания работы колебательной системы в выбранном режиме УЗ колебаний при формообразовании порошков.
Технической проблемой, решаемой при реализации полезной модели, является повышение эффективности работы устройства за счет увеличения его К.П.Д. и повышения его эксплуатационных характеристик, обеспечивающих возможность формообразования тонкостенных деталей высокого качества с одновременным уменьшением расхода материала и объема механической обработки.
Технический результат полезной модели достигается тем, что в устройстве для формообразования изделий из порошковых материалов, включающем пресс-форму, содержащую матрицу с формообразующей полостью, предназначенную для засыпки в нее порошкового материала, средство для создания статического давления прессования, действующего вдоль продольной оси формуемого изделия, колебательную систему для возбуждения в формуемом изделии УЗ колебаний, включающую УЗ генератор, акустический преобразователь, концентратор УЗ колебаний матрица согласно полезной модели пресс-формы выполнена многоместной, содержащей несколько формообразующих полостей, при этом колебательная система соединена с акустическим преобразователем цепью акустической обратной связи для поддержания выбранного режима работы колебательной системы.
Количество формируемых изделий в устройстве за один цикл зависит от технических возможностей технологического оборудования и серийности их производства.
В частном случае полезной модели матрица пресс-формы выполнена четырехместной с симметричным расположением формообразующих полостей относительно ее центральной продольной оси.
Наличие в заявляемом устройстве прессового оборудования, включающего пресс-форму и средство для создания статического давления, действующего на помещенный в пресс-форму порошковый материал вдоль продольной оси формуемого изделия, обеспечивает прессование порошкового материала с получением изделия заданной формы.
Выполнение матрицы пресс-формы многоместной, содержащей несколько формообразующих полостей для засыпки порошкового материала, увеличивает производительность устройства в целом, так как в одном производственном цикле, включающем сборку и подготовку пресс-формы к работе, а также процесс формообразования, получают сразу несколько изделий. Кроме того, в случае формообразования тонкостенных изделий увеличивается общая контактная рабочая поверхность прессования, в результате чего упрощается процесс регулирования удельного давления прессования и увеличивается диапазон удельных давлений при использовании прессового оборудования средней и высокой мощности.
Использование колебательной системы, с помощью которой осуществляется возбуждение в формуемых изделиях УЗ колебаний, действующих вдоль их продольных осей, содержащей УЗ генератор, акустический преобразователь, концентратор УЗ колебаний, обеспечивает воздействие колебательного УЗ поля на частицы порошкового материала. В результате указанного воздействия ослабляются силы внутреннего трения между частицами, в порошковом материале разрушаются арочные образования, что создает условия для более плотной укладки частиц и способствует более равномерному распределению пор и частиц по объему формуемого изделия. Кроме того, значительно снижается трение между частицами и стенками пресс-формы (внешнее трение). Указанные факторы обеспечивают снижение статического усилия прессования и позволяют осуществлять формование с помощью заявляемого устройства качественных изделий сложной конфигурации, в том числе тонкостенных цилиндрических деталей, с высококачественными эксплуатационными характеристиками.
Для эффективного воздействия УЗ поля на частицы порошкового материала важное значение имеют регулируемые с помощью акустического преобразователя параметры колебаний - частота колебаний и их амплитуда, увеличение которой достигается с помощью применения концентратора колебаний. С помощью указанной регулировки удается обеспечить эффективный режим УЗ колебаний, в том числе получить максимальную амплитуду колебаний на резонансной частоте, которая зависит от геометрических размеров конструктивных элементов колебательного контура (колебательной системы, соединительных узлов, пресс-формы), свойств их материалов и порошкового материала.
При этом наличие в колебательной системе, соединенной с акустическим преобразователем, цепи акустической обратной связи обеспечивает поддержание работы колебательной системы в выбранном, в том числе, резонансном режиме в процессе формообразования изделия.
Таким образом, указанные выше факторы обеспечивают достижение технического результата полезной модели - повышения эффективности работы устройства за счет увеличения его К.П.Д. и повышения его эксплуатационных характеристик, обеспечивающих возможность формообразования тонкостенных деталей высокого качества с одновременным уменьшением расхода материала и объема механической обработки.
Как показали исследования, в случае, когда пресс-форма выполнена четырехместной и содержит четыре формообразующие полости, симметрично расположенные относительно ее центральной продольной оси, производительность устройства значительно (в четыре раза по сравнению с устройством, содержащим одноместную пресс-форму) повышается. При этом за счет одинакового расположения формующих полостей относительно центральной оси пресс-формы, она хорошо центрируется на прессовом оборудовании, и все изделия формуются при одинаковых условиях, что способствует достижению у них одинаковых эксплуатационных характеристик.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства;
на фиг. 2 представлен общий вид используемой в устройстве многоместной пресс-формы в разрезе.
Устройство содержит гидравлический пресс 1, предназначенный для создания продольного осевого давления прессования, включающий верхнюю плиту 2 и нижнюю плиту 3 с установленной на ней многоместной пресс-формой 4. Пресс-форма 4 содержит матрицу 5, в которой выполнены несколько формообразующих полостей 6 для засыпки порошкового материала, в которых размещены пуансоны 7 и 8, предназначенные для передачи статического давления прессования, создаваемого верхней плитой 2 пресса 1.
В частности, пресс-форма 4 обеспечивает формообразование полых протяженных цилиндров и содержит четыре симметрично расположенные относительно ее центральной продольной оси формообразующие полости 6, каждая из которых выполнена в виде протяженного сквозного цилиндрического канала, в верхней части которого с возможностью продольного перемещения установлен верхний пуансон 7, а в нижней части закреплен нижний пуансон 8. При этом пуансоны 7 и 8 имеют форму тонкостенных полых цилиндров, в сквозном канале каждой формообразующей полости 6 размещен стержень 9, нижняя часть которого проходит сквозь полость 6 нижнего пуансона 8. Диаметр сквозного канала и наружный диаметр верхнего и нижнего пуансонов 7 и 8 соответствуют наружному диаметру формуемого тонкостенного цилиндра, а диаметр их полостей и диаметр стержня 9 соответствуют диаметру внутренней полости формуемого тонкостенного цилиндра.
Колебательная система устройства обеспечивает создание продольных УЗ колебаний и включает УЗ генератор 10, акустический преобразователь 11, в частности, магнитострикционный преобразователь, концентратор колебаний 12, соединенный с нижней плитой 3 пресса 1.
Колебательная система содержит цепь акустической обратной связи 13, включающую соединенный с акустическим преобразователем 11 акустический датчик, связанный с нижней плитой 3 пресса 1.
Устройство работает следующим образом.
На нижнюю плиту 3 пресса 1 устанавливают пресс-форму 4. В каждую из формообразующих полостей 6 в пространство между стенками сквозного канала и стержня 9 до нижнего пуансона 8 засыпают, например, увлажненный пластификатором порошковый пьезокерамический материал ЦТС-19, затем закрывают формообразующие полости 6 верхними пуансонами 7 и на них опускают верхнюю плиту 2 пресса 1 без создания статического давления прессования.
Включают УЗ генератор 10 и настраивают колебательную систему на резонансный режим.
УЗ колебания, прикладываемые к нижней плите 3 пресса 1, передаются пресс-форме 4 и, соответственно, порошковому материалу.
Поддержание резонансного режима обеспечивается наличием цепи акустической обратной связи.
Затем сообщают верхней плите 2 пресса 1 продольное статическое давление прессования, и уплотняемый порошковый материал подвергают совместному воздействию статического давления и УЗ колебаний. Например, при формообразовании тонкостенных цилиндров с толщиной стенки (1-5) мм из порошкового пьезокерамического материала ЦТС-19 совместное воздействие на порошковый материал осуществляют в диапазоне амплитуд колебаний (5-10) мкм при статическом давлении прессования в диапазоне (20-30) МПа в течение (10-15) с.
В процессе указанного воздействия порошковый материал уплотняется, в результате получают изделия требуемой формы, в частности, пьезокерамические тонкостенные цилиндры.
Наличие в заявляемом устройстве прессового оборудования, включающего пресс-форму и средство для создания статического давления, действующего на помещенный в пресс-форму порошковый материал вдоль продольной оси формуемого изделия, обеспечивает прессование порошкового материала с получением изделия заданной формы.