СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ТРИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
PRESSING METHOD OF TRIMETALLIC WORKPIECES

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для прессования триметаллической заготовки, состоящей из трех разнородных материалов.
Известно, что при производстве триметаллических прутков и проволоки на начальном этапе деформируют триметаллическую заготовку прессованием с последующим волочением триметаллической заготовки. При этом в процессе прессования формируются свойства триметаллических прутковых и проволочных изделий.
Известен способ обработки металлов прессованием, заключающийся в выдавливании металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие конической матрицы (см. Суворов И.К. Обработка металлов давлением: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1980, с.289).
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что процесс прессования имеет повышенные усилия и энергоемкость.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - помещение триметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой заготовки.
Задачей изобретения является снижение усилия прессования и энергоемкости процесса прессования за счет оптимизации угла наклона образующей конического канала матрицы. Снижение усилия прессования обеспечит повышение единичных обжатий, стойкости технологического инструмента и качества поверхности прессуемых изделий.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе, включающем помещение триметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой триметаллической заготовки, используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой рассчитывают по формуле
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
- вытяжка при прессовании;
0
R - наружный радиус заготовки до деформации;
1
R - радиус промежуточного слоя;
2
R - радиус сердечника;
3
R - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>1</mn></mrow><mi>c</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>2</mn></mrow><mi>c</mi></msubsup></mrow>
и
- сопротивление деформации металла сердечника;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
- усредненное значение сопротивление деформации материала оболочки;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
;
- относительные толщины слоев триметаллической заготовки.
Признаки предполагаемого способа, отличительные от прототипа - использование матрицы, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой составляет:
Способ поясняется чертежом, на котором приведена схема деформации прессованием триметаллической заготовки, состоящей из трех разнородных материалов. На чертеже показаны: 1 - промежуточный слой; 2 - центральная часть заготовки; 3 - оболочка; 4 - прессовый инструмент.
При прессовании триметаллической заготовки коэффициент вытяжки является одним и тем же и для всех трех составляющих частей заготовки. Пластическая деформация в процессах обработки металлов давлением характеризуется степенью деформации. Для центральной части заготовки 2 (фиг.) степень деформации равна [Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. - М.: Металлургия, 1986, 168 с.]:
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>M</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
где
- угол наклона образующей центральной части заготовки к оси прессования.
Из геометрических соотношений (фиг.) следует:
2
0
где R - радиус сердечника; R - наружный радиус заготовки до деформации. Для промежуточного слоя 1 материала степень деформации равна:
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>M</mi><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
где
- угол наклона образующей промежуточного слоя к оси прессования.
Из геометрических соотношений следует:
1
где R - радиус промежуточного слоя;
0
R - наружный радиус заготовки.
Тогда средняя степень деформации центральной части заготовки равна:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>.</mo><mtext>   (7)</mtext></mrow>
Для промежуточного слоя:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>.</mo><mtext>   (8)</mtext></mrow>
Для оболочки 3:
Для усредненного значения сопротивления деформации сердечника составляющая напряжения, связанная с пластической деформацией сердечника, с учетом соотношений (6) и (7) составит:
Напряжению (9) и (10) соответствует доля полного усилия прессования центральной части сердечника и промежуточного слоя триметаллической заготовки:
1
2
где F и F - соответствующие площади.
Аналогичный расчет выполнен для наружной части (оболочки) триметаллической заготовки.
Напряжение прессования оболочки для усредненного значения сопротивления деформации равно:
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mi>o</mi></msubsup></mrow>
где
- усредненное значение сопротивления деформации материала оболочки.
Соответственно доля общего усилия прессования, пошедшего на деформацию, составила:
Для оболочки необходим учет сил трения в рабочей части зоны деформации. Проекция результирующей сил трения на ось прессования запишется в виде:
3
где R - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации.
В общее среднее напряжение прессования вклад от преодоления сил трения в зоне деформации составил:
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>м</mi><mi>о</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mi>о</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>/</mo><mi>λ</mi><mo>.</mo><mtext>   (15)</mtext></mrow>
м
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mi>с</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mi>о</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>М</mi><mi>о</mi></msubsup></mrow>
Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определен из условия минимума полного напряжения прессования, при этом от угла α зависят лишь
,
,
, поэтому условие минимума усилия прессования получено в виде:
м
Суммарное напряжение прессования, включающее лишь величины, зависящие от α, при этом равно:
М
После дифференцирования выражения (17) по Tgα, преобразований и упрощений получим:
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
- вытяжка при прессовании;
0
R - наружный радиус заготовки до деформации;
1
R - радиус промежуточного слоя;
2
R - радиус сердечника;
3
R - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>1</mn></mrow><mi>с</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>2</mn></mrow><mi>c</mi></msubsup></mrow>
и
- сопротивление деформации металла сердечника;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow>
- усредненное значение сопротивление деформации материала оболочки;
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>R</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
;
- относительные толщины слоев триметаллической заготовки.
Соотношение (18) обеспечивает минимальное значение усилия прессования и минимальную энергоемкость процесса прессования. При снижении усилия прессования появляется возможность повышения обжатий при прессовании, применения менее мощного технологического оборудования. При этом повышается износостойкость матриц и качество поверхности прессуемых изделий.
Пример конкретной реализации.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>25</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>1</mn></mrow><mi>c</mi></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>s</mi><mn>0</mn></mrow><mi>o</mi></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn></mrow>
м
В качестве примера рассмотрим прессование сверхпроводниковой триметаллической сборной заготовки. Прессовали сборную триметаллическую заготовку, состоящую из сверхпроводящего ниобиевого промежуточного слоя, медной оболочки и медного сердечника, соотношение
;
с вытяжкой λ=13, при этом
. Для прессования применили стандартную матрицу с α=80°. Для приведенного сопротивления деформации напряжение прессования составило 5,17 МПа.
пр
В соответствии с формулой (18) оптимальным углом наклона образующей рабочего канала матрицы оказался угол, равный 56°, которому соответствует напряжение прессования σ=2,94 МПа.
Таким образом, оптимизация угла наклона образующей рабочего канала матрицы привело к снижению напряжения прессования на 2,23 МПа, что составляет 43,1%.