СПОСОБ ПЛАСТИЧЕСКОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С СОХРАНЕНИЕМ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЗАГОТОВКИ
METHOD OF PLASTIC STRUCTURE FORMATION OF METAL MATERIALS WITH PRESERVATION OF INITIAL DIMENSIONS OF WORKPIECE

Изобретение относится к заготовительному производству металлургических и машиностроительных предприятий и предназначено для повышения физико-механических свойств материалов методом пластического структурообразования за счет измельчения исходной структуры при сохранении первоначальных размеров заготовки.
Известен способ (RU 2402618), включающий продавливание заготовки из приемного канала через примыкающий к нему деформирующий канал. Продавливание заготовки осуществляют с обеспечением знакопеременных сдвиговых деформаций в металле заготовки и с подпором заготовки с выходной стороны деформирующего канала. Деформирующий канал выполняют с последовательно расположенными наклонными участками и с расположенным вдоль продольной оси приемного канала конечным прямым участком. Участки наклонены в противоположные стороны относительно продольной оси приемного канала. Они имеют поперечное сечение, идентичное по форме и размерам поперечному сечению приемного канала. Площадь поперечного сечения конечного прямого участка меньше площади поперечного сечения упомянутых наклонных участков. Основным недостатком способа является неоднородность зеренной структуры по сечению получаемых полуфабрикатов (особенно при одноцикловой обработке заготовок).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ для структурообразования металлов при деформации по схеме "песочные часы", при котором цилиндрическую металлическую заготовку в холодном состоянии подвергают прямому выдавливанию и осадке в несколько циклов (RU 2116155). Способ включает многократное деформирование заготовки с сохранением ее первоначальной формы и размеров после каждого цикла деформирования, при этом деформирование заготовки в каждом цикле осуществляют путем ее выдавливания с последующей одновременной осадкой выдавленной части заготовки, при этом в каждом последующем цикле деформирования направление выдавливания изменяют на противоположное относительно направления выдавливания в предыдущем цикле. Недостатками известного способа являются обработка заготовок из металла небольших размеров, неравномерность накопленных деформаций по сечению заготовки, а именно со стороны торцов. Также промышленное применение способа требует создания специальных прессов с двумя силовыми цилиндрами.
Технический результат настоящего изобретения - получение однородной равноплотной измельченной структуры заготовки методом интенсивной пластической деформации при сохранении ее первоначальных размеров.
Технический результат достигается путем продавливания цилиндрической заготовки пуансоном через соосно расположенные первый и второй каналы матрицы и расположенную между ними переходную зону, в которой осуществляют обжим заготовки, при этом используют матрицу со вторым каналом, имеющим поперечное сечение, превышающее поперечное сечение первого канала, конусную фильеру с минимальным выходным диаметром, равным диаметру исходной заготовки, и калибрующий ручей. Продавливание через переходную зону матрицы осуществляют с упором заготовки в предварительно установленную в конусную фильеру опорную конусную заготовку из того же материала и осуществляют осаживание деформируемой заготовки с заполнением ее материалом переходной зоны матрицы, а продавливание через второй канал матрицы осуществляют в условиях всестороннего сжатия деформируемой заготовки с проталкиванием опорной заготовки через конусную фильеру и вытеснением в калибрующий ручей.
Сущность способа поясняется эскизом, приведенным на фиг. 1.
Исходная цилиндрическая заготовка 1 помещается в контейнер 2 штампа для прямого выдавливания пуансоном 3, который закреплен с помощью пуансонодержателя к верхней подвижной плите. Профилированная конусная заготовка 4, выполняющая роль прижима на этапе наладки оснастки, помещается в фильеру 5, жестко закрепленной с матрицей 6. Заготовка 1 выдавливается через рабочий поясок матрицы 6, посаженной с натягом в обойму 7, которая вместе с контейнером 2 крепится к нижней неподвижной плите штампа. В процессе деформирования через поясок матрицы 6, исходная заготовка 1 упирается в профилированную прижимную заготовку 4 и начинает осаживаться, полностью заполняя рабочее пространство матрицы 6. В момент окончательного заполнения ручья матрицы 6 металлом в условиях всестороннего сжатия происходит процесс выдавливания профилированной заготовки 4 через конусную фильеру 5 и калибрующий канал, одновременно заготовка 1 подвергается интенсивной пластической деформации, проходя через поясок матрицы 6, с увеличением ее исходного диаметрального размера. В области сужения конусной фильеры 5 заготовка 1 уменьшается в поперечном сечении, и в свою очередь становится прижимом для равномерного заполнения металла в ручье матрицы 6. Так как минимальный выходной диаметр фильеры 5 и калибрующего ручья равен диаметру исходной цилиндрической заготовки 1, то по завершении операции выдавливания получается исходная по размерам заготовка, которая может быть использована при последующей штамповке для получения высокопрочных заготовок деталей ответственного назначения, либо, при необходимости, ее можно повторно поместить в контейнер 2 для второго перехода. Таким образом, предложенная схема деформирования позволяет достичь заданных величин интенсивности деформации заготовки без изменения ее формы и размеров.
Удаляется заготовка из штампа после выдавливания деформированием последующей заготовки.
Для анализа работоспособности предлагаемого способа структурообразования металла и оценки возможности применения на металлургическом и машиностроительном производствах, было проведено математическое моделирование с использованием программно-аппаратного комплекса QFORM v.8. Заготовка из сплава АМг6, размером ∅30×160 мм деформировалась продавливанием пуансоном из первого канала матрицы во второй через переходную зону. В качестве упора на этапе наладки применена профилированная конусная заготовка из аналогичного сплава АМг6 высотой 55 мм, имеющая уменьшение поперечного сечения с ∅ 40 мм до ∅ 30 мм, необходимость которой исключается при дальнейших циклах деформирования.
При моделировании принимались следующие допущения: температура деформации 20°С, коэффициент трения 0,12, материал заготовки изотропный, до деформации разупрочнен. Инструмент принимается абсолютно жестким. Скорость движения пуансона - 2 мм/сек. Материал исходной и профилированной заготовок принимается пластичным.
При выдавливании через поясок матрицы ∅ 20 мм, заготовка упирается в заранее установленную на этапе наладки прижимную профилированную заготовку, осаживается и полностью заполняет объем второго канала ∅ 40 мм. В условиях всестороннего сжатия по достижению усилия деформирования 0,65 МН происходит проталкивание прижимной заготовки через конусную фильеру с минимальным выходным диаметром ∅ 30 мм и вытеснение в калибрующий ручей. После проталкивания прижимной заготовки и заполнения основной заготовкой ручья фильеры, за счет бокового сжатия создается необходимое усилие прижима для полного заполнения металлом ручья матрицы при течении из первого канала во второй.
После одного перехода распределение интенсивности деформации по поперечному сечению оказалось равномерными и составило 3.30-3.65 (фиг. 2). Исследование процесса деформации, проведенное с помощью компьютерного моделирования, показало, что течение материала в каналах деформирования происходит достаточно равномерно, а применение конусной фильеры позволяет полностью заполнить второй канал матрицы.
Последующее применение оснастки исключает применение профилированной прижимной заготовки, используемой только на этапе наладки, т.к. роль прижима будет выполнять предыдущая заготовка.
Предложенный способ целесообразно использовать в заготовительном производстве металлургических и машиностроительных предприятий, в частности ракетно-космической области, для получения заготовок с измельченной однородной равноплотной структурой для дальнейшего изготовления высоконагруженных деталей с повышенными требованиями по прочности и герметичности.