МАТРИЦА ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С МАЛОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТЬЮ
MATRIX FOR PRESSING MATERIALS WITH LOW PROCESS PLASTICITY

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно, к инструменту для прессования металлических материалов.
Цель изобретения - повышение качества поверхности пресс-изделий из материалов с малой технологической пластичностью, в частности, недостаточно пластичных в условиях термодинамического цикла прессования алюминиевых сплавов, в том числе, эвтектических и заэвтектических силуминов, а также повышение технологичности прессования таких материалов.
Качество поверхности пресс-изделий - наиболее актуальный вопрос при их производстве, зависящий от равномерности распределения деформации по объему заготовки, механических свойств прессуемого материала, его реологических характеристик в условиях горячей деформации, скорости деформирования, контактного трения на границе раздела «прессуемый материал - матрица» и других факторов. Одним из определяющих качество и точность размеров пресс-изделий факторов является геометрия канала матрицы - форма ее рабочей поверхности, формирующей пресс-изделие. Конструкция матрицы должна обеспечить качество пресс-изделий и технологичность процесса прессования.
Многофакторность влияния определяет множество технических решений по конструкции как типовых матриц, так и конструктивных решений для определенных материалов и видов (типов) пресс-изделий. При этом конструктивные особенности является весьма критичными.
Известны типовые матрицы для прессования с различной формой рабочей поверхности: плоской, конической, плоско-конической, радиальной, радиально-конической (Прессование тяжелых цветных металлов и сплавов. Ю.Ф. Шевакин, Л.М. Грабарник, А.А. Нагайцев. М.; Металлургия, 1987. 246 с.).
Как отмечено выше, типовые решения не решают проблемы качества пресс-изделий из ряда материалов, особенно с малой технологической пластичностью.
Известны многочисленные конструктивные исполнения рабочей поверхности матриц для прессования малопластичных материалов:
- в виде двойного конуса (авт. свид. СССР №1810158),
- вогнутой по радиусу (патент РФ №2222407),
- с выпуклым профилем обжимного участка, выполненным по функции интеграла вероятности Гаусса (авт. свид. СССР №1391750),
- с трехмерной изогнутой конструкцией входной поверхности (ЕР №0430922; GB №1456735; Ю.П. Глебов, В.С. Горохов, М.Ф. Захаров, - «Технология легких сплавов», 1975, №5, с. 23-28) и др.
Применение этих матриц, решая проблему повышения качества поверхности пресс-изделий для определенного материала и вида (типа) пресс-изделия, не обеспечивает необходимого качества поверхности пресс-изделий на других труднодеформируемых материалах с малой технологической пластичностью.
Наиболее близкой к предлагаемой матрице по технической сущности и достигаемому эффекту, принятой за прототип, является матрица с трехмерной изогнутой рабочей поверхностью, имеющей вогнутый входной участок, сопряженный с выпуклым обжимным участком, плавно переходящим в калибрующий поясок (С.В. Беляев, И.М. Довженко, Р.Е. Сколов и др. Технология прессования. Конспект лекций. Красноярск, СФУ, 2007, 310 с.).
Матрица не обеспечивает необходимого качества поверхности пресс-изделий из некоторых труднодеформируемых материалов с малой технологической пластичностью, в частности, из алюминиевых сплавов, в т.ч. эвтектических и заэвтектических силуминов.
Предполагаемое изобретение направлено на повышение качества поверхности пресс-изделий из недостаточно пластичных в условиях термодинамического цикла прессования алюминиевых сплавов, в т.ч. эвтектических и заэвтектических силуминов, а также повышение технологичности их прессования.
Технический результат достигается тем, что в известной матрице с трехмерной изогнутой рабочей поверхностью, имеющей вогнутый входной участок, сопряженный с выпуклым обжимным участком, плавно переходящим в калибрующий поясок, профиль входного и обжимного участков матрицы выполнены в виде поверхностей 2-го порядка, образованных вращением вокруг оси матрицы кривой, состоящей из участков окружности, эллипса, параболы, гиперболы или полинома 2-го порядка, при этом:
- высота вогнутого входного участка составляет 5-20% внешнего диаметра матрицы D,
- высота выпуклого обжимного участка составляет 3,5-35% внешнего диаметра матрицы D,
- суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков составляет 15-55% внешнего диаметра матрицы D,
c
c
- диаметр окружности d в точке сопряжения входного и обжимного участков определяется соотношением d=d+(0,1÷0,6)×(D-d), где d - диаметр калибрующего пояска (пресс-изделия),
- углы наклона касательной в начале входного участка и в точке сопряжения входного и обжимного участков к плоскости поперечного сечения пресс-изделия составляют соответственно от 20° до 75° и от 0,5° до 60°.
Технический результат обусловливается особенностями процесса прессования. Исходя из основополагающих теоретических представлений, контактное трение затрудняет перемещение металла у стенок контейнера и матрицы. Кроме контактного трения, существенное влияние на течение металла оказывает профиль канала матрицы. Даже при отсутствии контактного трения (теоретически идеализированное условие) деформация простого сдвига при обжатии в канале матрицы приводит к неравномерности деформации. При выборе конструкции матрицы для прессования материалов с малой технологической пластичностью важно обеспечить два условия: гидростатическое давление в очаге деформации должно быть возможно большим, а неравномерность пластического течения в пресс-изделии возможно меньшей. Первое условие обеспечивает вогнутый входной участок матрицы, второе - выпуклый обжимной участок матрицы. При этом профиль выпуклого обжимного участка мало влияет на давление прессования, но существенно сказывается на качестве поверхности вследствие поворота прессуемого металла при входе в калибрующий поясок. Исходя из теоретических представлений, важно обеспечить оптимальный профиль каждого участка рабочей поверхности матрицы.
Определить оптимальный профиль каждого участка рабочей поверхности предлагаемой матрицы 1 позволяет физическое моделирование посредством прессования малопластичного металла 2 с весьма малой скоростью деформации через модельную матрицу 3, имеющую плоскую рабочую поверхность, при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла (фиг. 1 и фиг. 2). Пластичный металл передней шайбы в процессе прессования собирается в застойной зоне 4. При малой, далеко за областью практического применения, скорости деформации, скольжение малопластичного прессуемого металла в условиях, близких к равновесным, осуществляется по самоорганизующейся границе застойной зоны и прессуемого металла. На фиг. 1 представлен макрошлиф осевого разреза в зоне матрицы при прессовании прутка 5 ∅25 мм из контейнера ∅100 мм (коэффициент вытяжки 16), на фиг. 2 - макрошлиф осевого разреза при прессовании прутка 6 ∅75 мм из контейнера ∅120 мм (коэффициент вытяжки 2,56). Самоорганизующаяся граница в сечении представляет кривую, которая с достаточным приближением описывается участками окружности, эллипса, гиперболы или параболы, а собственно поверхность, по которой происходит скольжение, является поверхностью 2-го порядка, образованной вращением этой кривой вокруг оси матрицы. При малой вытяжке (прессование прутка ∅70 мм из контейнера ∅100 мм с коэффициентом вытяжки 2) входной участок поверхности может иметь форму, близкую к конической.
Анализ профиля самоорганизующейся поверхности скольжения свидетельствует о следующем.
вx
вx
Высота вогнутого входного участка матрицы в пределах h=(0,05-0,2)D, где D внешний диаметр матрицы, как правило, достаточна, чтобы обеспечить необходимое гидростатическое давление в очаге деформации и целостность металла при прессовании. Меньшие значения h соответствуют большей вытяжке.
o
о
Высота выпуклого обжимного участка матрицы в пределах h=(0,035-0,35)D обеспечивает достаточное снижение деформации простого сдвига при обжатии в канале матрицы и равномерность пластического течения в пресс-изделии. При уменьшении технологической пластичности прессуемого металла высота обжимного участка h должна соответствовать большим значениям. При большей вытяжке высота обжимного участка также должна увеличиваться для снижения неравномерности деформации в канале матрицы.
вx
o
Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков в пределах h+h=(0,15-0,55)D достаточна для обеспечения двух предыдущих условий и ограничивает общую высоту матрицы.
c
Диаметр окружности в точке сопряжения входного и обжимного участков в соотношении d=d+(0,1÷0,6)×(D-d), где d - диаметр калибрующего пояска, определяется оптимальным соотношением высоты входного и обжимного участков матрицы.
Угол наклона касательной в начале входного участка от 20° до 75° выбран в пределах реально применяемых углов. В верхней части матрицы, как правило, выполняется притупление до 2-х мм, предотвращающее повреждение острой кромки при прессовании.
Угол наклона касательной в точке сопряжения входного и обжимного участков к плоскости поперечного сечения пресс-изделия в пределах от 0,5° до 60° определяются оптимальной формой сопряжения входного и обжимного участков рабочей поверхности матрицы.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1. Прессование прутка d25 мм из трудно деформируемого порошкового алюминиевого сплава САС-1-50 из контейнера D100 мм с коэффициент вытяжки 16.
Трехмерная изогнутая рабочая поверхность матрицы сформирована по реальной самоорганизующейся границе застойной зоны при прессовании сплава САС-1-50 с малой скоростью через плоскую матрицу при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла (фиг. 1).
1
1
2
Входной участок матрицы хорошо описывается вращением вокруг оси матрицы участка параболы y=x/2р, фокус и вершина которой лежат на оси матрицы, где р - параметр параболы, равный 76,4 мм. Высота входного участка 13,8 мм (13,8% D).
2
2
2
2
2
2
2
2
Обжимной участок матрицы образован вращением вокруг оси матрицы участка эллипса у=b-b/a*х. Большая полуось эллипса a=4,99 мм, малая b=4,34 мм. Фокусы эллипса лежат на прямой, перпендикулярной оси матрицы, проходящей через начало калибрующего пояска. Левая вершина эллипса находится на его большой оси в начале калибрующего пояска, а ось у эллипса отстоит от калибрующего пояска на расстоянии a=4,99 мм. Высота обжимного участка 4,33 мм (4,33% D).
Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков матрицы 18,13 мм (18% D).
2
2
c
Точка сопряжения входного и обжимного участков определена из равенства производных параболы и эллипса и имеет координаты х = -1,21, y=4,33 мм. Диаметр окружности в точке сопряжения входного и обжимного участков d=32,5 мм. Угол наклона касательной к обеим кривым к плоскости поперечного сечения матрицы в точке сопряжения составляет 12°, а угол наклона касательной к параболе в точке В - 33°.
В общей системе координат X-Y, привязанной к базам матрицы:
1
1
1B
1B
Х=х; Y=y-y; у=15,69;
2
2
2С
1B
1C
2C
1B
1C
X=x-(d/2+a); Y=у-(у+y-y); y+y-y=4,33+13,8=18,13;
2
Рабочая поверхность 2-го порядка матрицы образована вращением участков параболы и эллипса и описывается в общей системе координат уравнениями параболы Y=X/152,8-15,69 в пределах от точки В (48,98, 0) до точки С (16,28, -13,8) и далее эллипса  в пределах от точки С (16,28, -13,8) до точки А (12,5, -18,13).
Качество поверхности прутка высокое.
Пример 2. Прессование прутка d75 мм из сплава САС-1-50 из контейнера D120 мм с коэффициентом вытяжки 2,56.
При формировании рабочей поверхности матрицы учтена реальная самоорганизующейся граница застойной зоны при прессовании сплава САС-1-50 с малой скоростью через плоскую матрицу при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла. Рабочая поверхность скорректирована из-за искажений реальной самоорганизующейся границы (фиг. 2).
1
1
2/
2
2
2
Входной участок матрицы описывается вращением вокруг оси матрицы участка гиперболы уb-х/a=1. Уравнение гиперболы рассчитано с помощью программы MathLab по реальным точкам на входном участке самоорганизующейся границе застойной зоны и прессуемого металла. Расстояние между мнимыми (2a) и действительными (2b) вершинами гиперболы при этом равны соответственно 20,2 и 34 мм. Высота входного участка 10,7 мм (9% D).
2
2
2
2
2
Обжимной участок матрицы образован вращением вокруг оси матрицы окружности y=R-х. Центр окружности лежит на прямой, перпендикулярной оси матрицы, проходящей через начало калибрующего пояска. Радиус окружности R=8 мм. Высота обжимного участка 7,3 мм (6% D).
Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков матрицы 18 мм (15% D).
c
Угол наклона касательной к гиперболе и окружности к плоскости поперечного сечения матрицы в точке сопряжения составляет 15°, угол наклона касательной в начале входного участка β - 62° а диаметр окружности в точке сопряжения d=d+0,2×(D-d)=84 мм.
Рабочая поверхность матрицы представляет поверхность 2-го порядка, образованную вращением участков гиперболы и окружности, и описывается в общей системе координат уравнениями гиперболы  в пределах от точки В (59.5, 0) до точки С (42; -10,7) и далее окружности  в пределах от точки С (42; -13,6) до точки А (37.5; -18).
Качество поверхности прутка высокое.
Пример 3. Прессование прутка d18 мм из сплава САС-1-50 из контейнера D75 мм с коэффициентом вытяжки ≈17,4.
Трехмерная изогнутая рабочая поверхность матрицы сформирована согласно формуле изобретениях (фиг. 3).
Начальные условия для построения рабочей поверхности матрицы:
1
1
2
2
2
2
- входной участок матрицы сформирован вращением вокруг оси матрицы участка эллипса 1 x/a+y/b=l, большая ось которого перпендикулярна оси матрицы и проходит выше верхней плоскости матрицы на 10,6 мм, малая - параллельна оси матрицы, параметры а и b эллипса и смещение малой оси относительно оси матрицы с выбраны соответственно 38,4, 23.2 и 2,8 мм, исходя из условий обеспечения необходимой глубины входного участка и угла наклона касательной к плоскости поперечного сечения матрицы, точка пересечения эллипса 1 с верхней плоскостью матрицы (точка В) имеет координату Х=34,5 (D/2-1) мм, а уравнение эллипса 1, приведенное к базе матрицы, имеет вид
2
2
2
2
2
2
- обжимной участок матрицы сформирован вращением вокруг оси матрицы участка эллипса 2 х/а+у/b=1, малая ось которого перпендикулярна оси матрицы, большая - параллельна оси матрицы, вершина малой оси эллипса 2 совпадает с началом калибрующего пояска (точка А) с координатой Х=9 мм, параметры а и b эллипса соответственно 11 и 18,95 мм выбраны, исходя из условий обеспечения необходимой глубины входного участка, а уравнение эллипса 1, приведенное к базе матрицы, имеет вид
С
С
Рабочая поверхность 2-го порядка матрицы, образованная вращением участков эллипса 1 и эллипса 2, построена с помощью стандартной программы Autodesk, при этом координаты точки сопряжения эллипсов в общей системе координат Х=18,3, Y = -10,6 мм, а угол ас наклона общей касательной к эллипсам 1 и 2 составляет 13°. Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков матрицы 29,3 мм (39% D).
Качество поверхности прутка высокое.
Пример 4. Прессование прутка 7 d70 мм из сплава САС-1-50 из контейнера D100 мм с коэффициентом вытяжки ≈2.
Трехмерная изогнутая рабочая поверхность матрицы близка к реальной самоорганизующейся границе застойной зоны при прессовании сплава САС-1-50 с малой скоростью через плоскую матрицу при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла (фиг.4).
Входной участок матрицы с достаточным приближением описывается вращением вокруг оси матрицы отрезка прямой Y=kX+b, проходящей через точку В, имеющей абсциссу Х=49 мм в случае притупления 1 мм, и угол наклона к плоскости поперечного сечения матрицы 40°.
2
2
A
2
2
2
Обжимной участок матрицы, как и в примере 2, образован вращением вокруг оси матрицы участка окружности у=R-х радиусом 6 мм, с центром на прямой, перпендикулярной оси матрицы, проходящей через начало калибрующего пояска (точка А с координатой X=35 мм).
С
C
Простой расчет позволяет определить высоту обжимного участка 4,6 мм (4,6% D), входного участка 9,95 мм (≈0,1 D) и координаты точки сопряжения входного и обжимного участков: Х=37,14, Y = -9,95 мм. Суммарная высота входного и обжимного участков составит 14,55 мм (≈15% D).
Рабочая поверхность матрицы 2-го порядка описывается в общей системе координат уравнениями прямой Y=0,84X-41,1 в пределах от точки В (49; 0) до точки С (37,14, -9,95) и далее окружности  в пределах от точки С (37,14, -9,95) до точки А (35, -14,55).
Качество поверхности прутка удовлетворительное.
При несоблюдении соотношений на поверхности прутков наблюдались надрывы (фиг. 5) или волнистость (фиг. 6).
Таким образом, техническим результатом предложенного является повышение качества поверхности пресс-изделий из недостаточно пластичных в условиях термодинамического цикла прессования алюминиевых сплавов, в т.ч. эвтектических и заэвтектических силуминов, а также повышение технологичности прессования за счет снижения отходов.