УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКОЙ ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, а именно, к оборудованию для компактирования порошкообразных материалов из мелкодисперсных порошков в брикеты, вводимые в расплавы металлов в качестве легирующих или модифицирующих добавок или предназначенных для последующего спекания.
Известна пресс-форма для прессования брикетов из порошкообразного материала, содержащая нижнее основание, с размещенными в ней матрицей, нижним пуансоном, верхней матрицей, верхней плитой, с размещенным на ней верхним пуансоном, на нижнем основании имеется боковой пуансон, контактирующий одновременно с верхней и нижней матрицами и формирующий три стенки замкнутой матричной полости, при этом верхняя матрица и боковой пуансон снабжены самостоятельными приводами, а верхняя матрица и пуансон выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения формообразующего компактируемую заготовку.
(см. Патент на полезную модель №160347, МПК B21J 5/00, B23D 15/40, B26F 1/00, 2016).
К недостатку можно отнести контактное трение на стенках матрицы, которое, в ряде случаев, приводит к разрушению брикета при его выпрессовке.
Известна пресс-форма для прессования брикетов из порошкообразного материала, содержащая верхнее основание с размещенным в нем верхним пуансоном и нижнее основание с размещенным в нем нижним пуансоном. В нижнем основании попарно напротив друг друга размещены боковые пуансоны, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу, при этом каждая их пара перемещается в своей плоскости. Рабочая полость пресс-формы образована верхней, нижней и четырьмя боковыми пластинами, каждая из которых контактирует с рабочей поверхностью одного из пуансонов. Прессование брикета, в зависимости от реализуемой технологии, проводят либо одновременным перемещением всех пластин в сторону общего геометрического центра рабочей полости, с последующим реверсированием их перемещения, либо перемещением расположенных друг напротив друга боковых пластин, либо перемещением верхней и нижней пластин, либо перемещением пары боковых пластин.
(см. Патент РФ №2510308 кл. B22F 3/02, B22F 3/03, В30В 15/02, 2014) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данной пресс-формы необходимо отметить, что ее конструкция не предусматривает возможности проведения многоэтапного деформирования методами осадки-раздачи со сменой схемы деформирования, например, сжатия на растяжение в цикле формообразования, при котором направление движения рабочих органов (пластин) не имеют возможность изменять направление перемещения по трем координатам, как в одном, так и в противоположном направлениях.
Приведенные выше недостатки не позволяют использовать при эксплуатации пресс-формы технологии немонотонного деформирования, особенностью которых является чередование при прессовании операций сжатия, растяжения и кручения, использование которых повышает плотность, снижает анизотропию прессуемых брикетов и обеспечивает получение изделий высокого качества.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение качества прессования за счет послойного уплотнения порошковой смеси радиальным обжатием при осевом силовом подпоре и, освобождении в процессе выпрессовки одной пары сторон прямоугольного брикета от сжимающих напряжений. Сдвигающие напряжения, возникающие в периферийных слоях заготовки, от действия сил трения, обеспечивают дополнительное уплотнение порошковой смеси и, в конечном счете, равномерное распределение плотности по объему брикета.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для прессования металлокерамической порошковой смеси, содержащее верхнее основание с размещенным в нем верхним пуансоном и нижнее основание с размещенным в нем нижним пуансоном, в нижнем основании размещены боковые пуансоны, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу, образуют замкнутую полость для размещения металлокерамической порошковой смеси, предназначенной к прессованию брикета, каждый боковой пуансон выполнен составным, состоящим из нескольких отдельных частей, контактирующих между собой, имеющих возможность относительного перемещения навстречу друг друга, при этом, каждая часть составного бокового пуансона снабжена приводом возвратно-поступательного перемещения.
Повышение качества брикета и улучшение его структуры, обеспечивается за счет устранения несплошности материала в объеме прессовки - брикета.
Конструкция устройства обеспечивает возможность послойного перемешивания внутренних и наружных слоев порошковой смеси, увеличивая при этом плотность, при меньшем наружном давлении за счет послойного обжатия прессуемого брикета.
Составные части боковых пунсонов, действуя по определенной программе с заданной цикличностью, изменяют объем матричной полости в направлении, перпендикулярном перемещения верхнего и нижнего пуансонов, оказывают существенное влияние на изменение направления течения материала порошковой смеси.
Обжатие порошковой смеси можно проводить циклично, одновременно или последовательно по двум взаимно перпендикулярным осям Декартовой системы координат, за счет самостоятельного, независимо друг от друга, перемещения составных частей боковых пуансонов, одновременно, попарно или последовательно в направлении вертикальной координатной оси, с чередованием направления действия усилий осевого сжатия.
Перемещение пуансонов, то в сторону приближения к общему геометрическому центру, то отдалением от него, с увеличением значений удельных усилий, приходящегося на каждую, отдельно взятую пару частей бокового пуансона, при каждой смене цикла приводит к уменьшению абсолютных значений обжатий, реализуя при этом условия прессования по схеме «сжатие-растяжение».
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 - Схема устройства, вид спереди, исходное положение, момент засыпки порошковой заготовки в матричную полость;
на фиг. 2 - Схема устройства, вид сверху, разрез А-А по фиг. 1;
на фиг. 3 - Схема устройства, вид слева, продольный разрез Б-Б по фиг. 1;
на фиг. 4 - Схема устройства, вид спереди, поперечный разрез В-В по фиг. 2, момент двухстороннего осевого сжатия металлокерамической порошковой смеси 27 пуансонами 10, 11 и радиального сдвига, с левой стороны перемещением центрального бокового пуансона 13 в сторону центральной оси, с правой - перемещением крайних боковых пуансонов 15, 17 в сторону центральной оси;
на фиг. 5 - Схема устройства, вид спереди, поперечный разрез В-В по фиг. 2, момент перемещения левых крайних боковых пуансонов 12, 14 в сторону центральной оси, центрального 13 перемещение в стороны от центральной оси до момента выравнивания их торцевых плоскостей, в тоже время, одновременно с этим, с правой стороны проводится перемещение центрального пуансона 16 в сторону от центральной оси устройства, в то время как, крайние пуансоны 15, 17 перемещаются в сторону центральной оси до пересечения с центральным каналом 7;
на фиг. 6 - Схема устройства, вид спереди, поперечный разрез В-В по фиг. 2, момент послойного сжатия со сдвигом боковой поверхности заготовки; правым центральным пуансоном 16 до выравнивания его торцевой поверхности с торцевыми поверхностями крайних пуансонов 15, 17 и стенкой центрального канала 7;
на фиг. 7 - Схема устройства, вид спереди, поперечный разрез В-В по фиг. 2, момент обжатия боковой поверхности порошкового брикета 29 на величину, превышающую величину упругого последействия в данном направлении обжатия, подготовка отформованной детали к извлечению из матричной полости;
на фиг. 8 - Вырез I по фиг. 7, момент обжатия боковой поверхности брикета 29 на величину, превышающую величину упругого последействия в данном направлении обжатия, подготовка отформованного брикета 29 к извлечению из матричной полости канала 7;
на фиг. 9 - Схема устройства, вид спереди, поперечный разрез В-В по фиг. 2, момент удаления отформованного брикета 29 из матричной полости канала 7.
Устройство для прессования металлокерамической порошковой смеси состоит из нижней 1 и верхней 2 плит, соединенных направляющими колонками 3. Направляющие колонки 3 запрессованы в нижнюю плиту 1 и контактируют с направляющими втулками 4 верхней плиты 2, имеющей возможность возвратно-поступательного перемещения по направляющим колонкам 3 относительно нижней плиты 1.
На нижней плите 1 закреплено основание 5, в котором размещена матрица 6, в которой выполнены сквозные вертикальный 7, боковые 8, 9 каналы, в которых имеют возможность перемещения соответственно верхний 10, нижний 11 пуансоны и боковые пуансоны.
Боковые пуансоны выполнены составными из частей 12, 13, 14 (левый в плоскости чертежа) и из частей 15, 16, 17 (правый в плоскости чертежа). Управление работой пуансонов осуществляется от блока управления через соответствующие штоки гидроцилиндров 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25.
Таким образом, верхний пуансон 10 связан со штоком гидроцилиндра 18, нижний пуансон 11 - со штоком гидроцилиндром 19, составные боковые пуансоны левой стороны 12-13-14 (ориентир по фиг. 1) связаны со штоками гидроцилиндров 20, 21, 22, а боковые пуансоны правой стороны, соответственно со штоками гидроцилиндров 23, 24, 25.
На верхней плите 2 установлена вставка 26 центрирующая верхний пуансон 10 в плоскости XOY.
Устройство работает следующим образом.
В матричную полость устройства засыпают порошковую смесь 27 (фиг. 4), через воронку 28. После прессования порошковая смесь 27 приобретает форму брикета 29 (фиг. 9) с поперечным сечением вертикального канала 7 (фиг. 9), несмотря на то, что поперечное сечение брикета в процессе прессования меняется в зависимости от места расположения боковых 12-13-14; 15-16-17 и центральных пуансонов 10-11 (фиг. 1).
Для уменьшения величины перемещения пуансонов и соответственно габаритных размеров устройства, порошковую смесь 27 могут предварительно спрессовывать плотностью до 0,36 теоретической плотности, размерами поперечного сечения на 10-15% меньшего, поперечного сечения окна вертикального канала 7 матричной полости.
Нижнюю плиту 1 устройства закрепляют установочными болтами на столе гидравлического пресса усилием от 63 до 100 тс, верхнюю плиту 2 крепят к ползуну пресса.
Пример прессования брикета
Этап №1.
Ползун пресса поднимают наверх, в крайнее верхнее положение.
Вертикальный нижний пуансон 11 отводят в крайнее нижнее положение, составные части боковых пуансоны левой стороны 12-13-14 и правой стороны 15-16-17 также отводят в крайне боковые положения (фиг. 1). В матрицу 6 через воронку 28 засыпают порошковую смесь 27 которая просыпается через центральный канал 7 матрицы 6 и заполняет зазор, образованный внутренними боковыми каналами 8 и 9 матрицы 5 (фиг. 1).
Этап №2.
Включают пресс и начинают перемещение ползуна пресса до контакта торцов направляющих втулок 4 с верхней поверхностью основания 5 и производят нажим давлением, позволяющим удерживать пресс-форму от самопроизвольного раскрытия.
Ползуном пресса опускают верхнюю плиту 2 до смыкания нижнего торца направляющих втулок 4 с верхним торцом основания матрицы 6, нижней плиты 1, при этом в матрице 6 замыкается внутренняя полость, образованная центральным каналом 7 и боковыми каналами 8, 9. После чего включают гидроцилиндры перемещающие штоки 18-19 (верхние), 20-21-22 и 23-24-25 (боковые), ответственные за перемещение верхнего 10, нижнего 11 пуансонов и составных левого 12-13-14 и правого 15-16-17 боковых пуансонов соответственно и производят последовательно попеременное, одновременное и прочее перемещение (фиг. 4).
По достижении порошковой заготовки относительной плотности порядка (0,36-0,42)% теоретической, изменяют скорости перемещения всех пуансонов относительно скоростей перемещения друг друга. Например, затормаживают скорость центральных боковых пуансонов 13, 16 по отношению к контактирующими с ними в горизонтальной плоскости верхними 12, 15 и нижними 14, 17 пуансонами соответственно, а скорости перемещения вертикального верхнего пуансона 10 и вертикального нижнего пуансона 11 согласуются между собой и поддерживаются на уровне, отвечающего заданному противодавлению, обеспечивая расчетное упругодеформированное состояние материала порошковой смеси 27, формируя брикет 29 (фиг. 5, 6).
- этап №3
Горизонтальные плоскости рабочих торцов вертикального нижнего 11 и вертикального верхнего 10 пуансонов выставляются по уровню среза боковых каналов 8-9 матрицы 6 (фиг. 7).
Приводы штоков 20-21-22 сборного левого пуансона 12-13-14 и приводы штоков 23-24-25, сборного правого пуансона 15-16-17 проводят перемещение сборных боковых пуансонов в сторону общего геометрического центра на величину Δ, равную величине упругого последействия материала заготовки в поперечном сечении (фиг. 8).
По достижении порошковой заготовкой заданной плотности боковые пуансоны 12-13-14 и 15-16-17 одновременно отводятся на уровень вертикального среза боковых каналов 8, 9 матрицы 6.
- этап №4.
Извлечение готовой брикета 29 производят перемещением вертикального нижнего пуансона 11 вверх до вывода отпрессованного брикета 29 из матричного канала 7 (фиг. 9), одновременно с подъемом ползуна пресса, а вместе с ним верхней плиты 2 и вертикального верхнего пуансона 10 в крайнее верхнее положение.
Обоснование
Работа устройства представлена примером по многоэтапному прессованию алюминиевых гранул, включающее операции деформирования: сжатие - растяжение - сдвиг - сжатие, разнесенные во времени.
Под термином «сжатие» подразумевается перемещение противолежащих пуансонов навстречу друг другу, при этом, расстояние между ними уменьшается.
Под термином «растяжение» подразумевается перемещение противолежащих пуансонов в стороны, при котором происходит увеличение расстояния между ними.
Имеет место быть послойное «растяжение» и/или «сжатие». В этом случае одни боковые пуансоны, противолежащие друг другу увеличивают расстояние между собой, в то время, как контактирующие с ними по горизонтальной плоскости соседние пары пуансонов движутся в навстречу друг к другу.
Имеет место термин «сжатие-сдвиг», в этом случае одни боковые пуансоны разных слоев перемещаются навстречу друг другу (например, 12-16) в сторону геометрического центра, в то время как другие, контактирующие с ними в горизонтальной плоскости, либо стоят на месте, при перемещении вертикальных пуансонов навстречу друг к другу, либо перемещаются в противоположные стороны (например, 13-15).
Имеет место термин «растяжение-сдвиг», в этом случае боковые пуансоны одного слоя перемещаются от центра (например, 12-15), в то время как другие, контактирующие с ними в горизонтальной плоскости либо стоят на месте, при перемещении вертикальных пуансонов навстречу друг к другу, либо перемещаются к геометрическому центру (например, 13-16).
Этап №1 (фиг. 1, 4, 5)
3
В матричную полость объемом 136 см (2×2×34 см) засыпали 100 г. алюминиевых гранул АПВ сферической формы диаметром 0,2÷5 мм, используемой для производства алюминиевой порошковой проволоки для раскисления стали (фиг. 1).
3
Насыпная плотность алюминиевых гранул составляла 0,75 г/см.
Технологические режимы определяли моделированием с использованием тензорно-нелинейной модели накопления повреждений описываемого уравнением:
ij
u
*
u
σ
ij
ij
а
где ψ - тензор-девиатор повреждений; n, , b - параметры модели; E - накопленная деформация; Е - накопленная деформация до разрушения;  - поверхность предельных деформаций при стационарном деформировании;  - показатель напряженого состояния; σ - среднее напряжение; σ - интенсивность напряжений;  - параметр чувствительности пластичности к напряженному состоянию; μ - параметр Лоде; β - направляющий тензор приращений деформаций; δ - дельта-символ Кронекера.
На первом этапе деформирования проводили по схеме осевого сжатия - радиального растяжение порошковой смеси:
ij
из тензорной модели следует, β=const (фиг. 4, 5 и 6)
где
Функция повреждаемости  удовлетворяет условиям:
ϕ(0)=0, ϕ(1)=1,
может быть представлена квадратичным выражением:
u
Накопленная деформация ε имеет вид
*
*
u
где  - интенсивность скоростей деформации; t, τ - время; ε=ε(η) - кривая предельных деформаций при стационарном деформировании (η=1) для начального состояния материала, С - материальная константа (0≤С≤1);  - показатель напряженного состояния; σ, σ - среднее напряжение и интенсивность напряжений соответственно.
В качестве меры повреждений принимается второй инвариант тензора повреждений:
а
Из соотношений (2), (4), (6) следует, что из двух величин  и b независимой является
в то время как
ij
где D=|β| - третий инвариант тензора.
21
6
6+21
(13), (15-17)
Вертикальными верхним 10 и нижним 11 пуансонами производили двухстороннее обжатие гранул со скоростью ϑ+ϑ=ϑ=12 мм/с, с одновременным перемещением центрального левого бокового пуансона 13 и крайних боковых пуансонов 15, 17 правой стороны со скоростью равной ϑ=3 мм/с, навстречу общего геометрического центра, таким образом, суммарная скорость перемещения сборных боковых пуансонов составляла (фиг. 5):
(7-8-9)+(10-11-12)
ϑ=6 мм/с.
1
р
бок
3
Брикет 29 приобрел плотность ρ=2,24 г/см, что составило 80% теоретической плотности, высота брикета составляла 112 мм. Осевое (Р) давление прессования составляло 400 МПа, боковое давление (Р), на составных пуансонах (12-13-14)-(15-16-17) определяли из соотношения:
ρ
бок
ρ
0,2⋅P⋅ξ≤P≤0,5⋅Р⋅ξ
где ξ - коэффициент бокового давления,
В свою очередь, коэффициент бокового давления определяется формулой:
где μ - коэффициент Пуассона.
Для алюминия коэффициент бокового давления принимаем равным
ξ=0,51,
откуда диапазон бокового давления (max, min):
По достижению относительной плотности 0,8 от теоретической, скорость перемещения сборных боковых пуансонов разделилась:
- скорость боковых центральных пуансонов 13 и 16 оставила
(13)+(16)
ϑ=6⋅мм/с;
(10-11)
- скорость вертикальных пуансонов ϑ уменьшили в два раза, и составила
(10)+(11)
ϑ=3⋅мм/с,
при этом проводилось равномерное торможение скорости перемещения боковых пуансонов с таким расчетом, что бы при окончании бокового обжатия поверхностей торцов боковых пуансонов (12-13-14) и (15-16-17) совмещались с вертикальной плоскостью среза боковых каналов 8, 9 матрицы 6.
Суммарная скорость перемещения осевых пуансонов (10-11) в вертикальном направлении навстречу друг другу определялась из условия полного заполнения заготовкой образующего канала 7. Это условие выражается законом сохранения масс за равный промежуток времени Δτ и записывается уравнением:
1
0
(10+11)
2
1
(12-13-14)+(15-16-17)
ρ⋅ΔS⋅ϑ⋅Δτ=ρ⋅ΔS⋅ϑΔτ,
0
1
1
2
(10+11)
где ΔS - площадь поперечного сечения заготовки в вертикальном канале, ΔS - площадь поперечного сечения заготовки в горизонтальном канале, ρ - относительная плотность в начале уплотнения, ρ - относительная плотность брикета в конце уплотнения, ϑ - суммарная скорость перемещения осевых вертикальных пуансонов 10 и 11.
10+11
Таким образом, суммарная скорость перемещения осевых вертикальных пуансонов ϑ в сторону от геометрического центра определялась из условия:
10+11
Если скорость перемещения осевых вертикальных пуансонов (ϑ) будет превышать
то произойдет неполное заполнение канала 7, и геометрия изделия не будет соответствовать заданной формы.
С другой стороны, если скорость осевых пуансонов будет меньше полученного выражения
то произойдет полное заполнение бокового канала 8-9, но процесс прессования не остановится, так как скорость перемещения боковых пуансонов 12-13-14, 15-16-17 уменьшается.
В этом случае осевые пуансоны переходят на работу по режиму «силового подпора», устанавливая силовое равновесие по объему заготовки. При выравнивании рабочих торцов боковых пуансонов (12-13-14) и (15-16-17) по уровню вертикального среза боковых каналов 8-9 матрицы 6 этап №2 переходит в этап №3.
Относительная плотность брикета на выходе из этапа №2 составляло 0,96 от теоретической, при этом высота брикета Н соответствовала высоте сборного бокового пуансона  и
Этап №2 (фиг. 6, 7, 8)
Закономерности накопления повреждений на втором этапе немонотонного прессования (сжатие - растяжение - сдвиг) имеют вид:
i
Здесь  - ресурс пластичности, Δε - накопленная деформация на i-ом переходе (этапе),  - параметр чувствительности пластичности к напряженному состоянию, J - инвариантный параметр, определяемый выражением:
где  - косинус угла излома траектории деформации,
где верхний индекс (1, 2) указывает на номер этапа деформирования.
Для значения параметра С=0 выражение (9) принимает вид
При деформировании пористого материала в условиях простой деформации (сжатия, растяжения, сдвига) выполняются следующие условия:
ij
β=const, D=const, η=const,
Величина D, как и показатель Лоде
1
2
3
(dε≥dε≥dε) характеризует вид деформаций (всестороннее сжатие, осевое нагружение или сжатие-сдвиг), существует однозначная зависимость:
*
*
ε
При определении предельных деформаций ε=ε(η), характеризующих критическое состояние материала заготовки, выбирают условия испытания, при которых показатель Лоде в процессе деформирования является величиной постоянной, μ=const.
Тензорная модель разрушения позволяет установить, что при деформировании заготовки путем знакопеременного сдвига, осуществляемого последовательно в разных плоскостях, должны соблюдаться условия:
*с
где  n - количество этапов деформирования;  - направляющий тензор деформации на m-ом этапе деформирования;  - интенсивность деформации на m-ом этапе деформирования; ε - предельная деформация материала заготовки на сдвиг. С учетом выше сказанного закономерности накопления повреждений при немонотонном двухэтапном деформировании (9) можно представить в виде
Моделирование процесса уплотнения порошковой смеси позволило подобрать заданные соотношения объема-массы-плотности.
Горизонтальные плоскости рабочих торцов вертикального нижнего 11 и верхнего 10 пуансонов выставляются по уровню соответствующих верхней и нижней плоскостей сквозного бокового канала 8-9 матрицы 6. Приводы штоков (20-21-22) сборного левого пуансона (12-13-14) и приводы штоков (23-24-25) сборного правого пуансона (15-16-17) проводят перемещение сборных боковых пуансонов сторону общего геометрического центра на величину Δ, равную величине упругого последействия материала заготовки в поперечном сечении.
По достижении порошковым брикетом 29 заданной плотности боковые пуансоны (12-13-14) и (15-16-17) одновременно отводятся на уровень вертикального среза боковых каналов 8-9 матрицы 6 (фиг. 7).
Этап №3 (фиг. 9)
Расчет третьего этапа немонотонного деформирования (сжатие-растяжение-сдвиг), представлен в виде уравнения:
u
где ψ - интенсивность повреждений;  функцию повреждений ϕ можно представить в виде двух разных выражениях:
u
m
u
0
*с
m
12
13
23
ij
где с, n - экспериментально определяемые параметры модели; (ε) - накопленная деформация к концу 2-ого этапа ((ε)=0); (ε) - предельная деформации, соответствующая схеме напряженного состояния на m-ом этапе; J, J, J - инвариантные параметры, определяемые направляющими тензорами деформаций (J определяется направляющими тензорами деформаций на i-ом и j-ом этапах) и изменяющиеся в пределах от (-1) до (+1).
*2
*3
Остаточный ресурс пластичности на втором (ψ) и третьем (ψ) этапах имеют вид, соответственно:
*c
i
2
3
где  (ε) - предельная деформация материала при стационарном деформировании в условиях, реализованных на i-ом этапе;  - использованный ресурс пластичности на первом этапе (сжатие); ψ - использованный ресурс пластичности на втором этапе; ψ - остаточный ресурс пластичности на третьем этапе.
Функции повреждаемости (18), (19) можно привести к линейному принципу накопления повреждений при с=0 и n=1, а также тождественны при
с=1 и n=2.
m
В соответствии с приведенными обозначениями и использованием квадратичной аппроксимации для функции повреждений (18), выражение для функции F принимает следующий вид:
Отформованный брикет 29 нижним пуансоном 11 выталкивали из матрицы 6, при этом скорость перемещения нижнего пуансона 11 была меньше скорости перемещения верхнего пуансона 10 на 5-10%,
10
11
ϑ=(0,05-0,1)⋅ϑ
т
3
Получен брикет внешними размерами 20,1×20,1×92,5 мм, плотностью 2,695, что составило 99,8% относительно теоретической плотности литого алюминия - ρ=2,7 г/см.
Металлографический и электронно-микроскопический анализ структуры опытной партии брикетов показал высокое качество брикетов.