Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов

Полезная модель относится к области порошковой металлургии и может быть использована при производстве изделий из порошковых материалов, в частности топливных таблеток для атомных реакторов, химической и других отраслях промышленности.
Известно устройство для электроимпульсного прессования порошка, описанное в патенте на полезную модель №188873, опубликовано 25.04.2019, «Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов». Это устройство включает в себя импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала (оксинитрид алюминия-кремния SiAlON), верхний подвижный пуансон с верхней опорой расположенный под штоком, нижний неподвижный пуансон с нижней опорой, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижней плите.
Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала, заключенный в керамическую матрицу и зажатую в металлическую обойму, поджимается пуансонами сверху и снизу. Давление Р к верхнему пуансону прикладывается от нагружающего устройства через шток. После чего, от импульсного источника тока на засыпку порошка подают импульс тока. Импульс разрядного тока, протекая через поджатый порошок, разогревает его. За счет приложенного давления происходит уплотнение засыпки и получается плотный образец.
В этом устройстве матрица позволяет многократно получать образцы из порошковых материалов. Однако загрузка порошка в матрицу с обоймой осуществляется вне зоны прессования, а затем она с порошком, верхним и нижним пуансонами с опорами вставляется в пластину и устанавливается на нижнее основание под шток пресса. Такие действия требует значительных усилий, чтобы точно попасть пазами на обойме матрицы в пластину, придерживая при этом верхний и нижний пуансон с опорами. Особенно это вызывает большие трудности, когда такая операция проделывается в перчаточном боксе при работе с радионуклидными порошками.
Решением, наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для электроимпульсного прессования порошка (патент на полезную модель №198931, опубликовано 03.08.2020, «Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов»). Это устройство включает в себя импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний подвижный пуансон с верхней опорой расположенный под штоком, нижний неподвижный пуансон с нижней опорой, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижней плите, кроме того, на пластине равноудаленно от ее поперечной оси дополнительно закреплены две направляющих полосы для фиксированной установки обоймы с матрицей в пластину, а на нижней плите установлена подставка под нижний пуансон с нижней опорой, высотой равной высоте нижнего основания, причем на направляющих для втулок и нижнем пуансоне надеты упругие кольца для фиксации матрицы с нижним пуансоном и опорой на высоте нижнего основания и не препятствующие движению матрицы при уплотнении.
Такая усовершенствованная конструкция устройства позволяет зафиксировать обойму с матрицей и нижнем пуансоном с нижнем основанием на требуемой высоте, засыпать в матрицу порошок и сдвигая ее по направляющим полосам и подставке под нижний пуансон, вставить в пластину в зоне уплотнения под шток пресса. Это позволяет сократить время на получения готового изделия. Однако при выпрессовке полученных таблеток направляющие полосы затрудняют этот процесс, и требуется увеличения длины нижнего пуансона. Кроме того подставка под нижний пуансон также усложняет выпрессовку.
В связи с этим, важнейшей задачей является разработка нового устройства, позволяющего упростить процесс загрузки порошка в матрицу при электроимпульсном прессовании порошковых материалов в многоразовой матрице и улучшить выпрессовку готового изделия.
Техническим результатом заявленного устройства является создание нового устройства, обеспечивающего с помощью электроимпульсного прессования получения образцов с необходимыми характеристиками, упрощением процесса загрузки порошка в матрицу и улучшением выпрессовки полученного изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электроимпульсного прессования порошковых материалов, включающее импульсный источник энергии, нагружающее устройство, соединенное с узлом прессования, включающим металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний пуансон с верхней опорой, соединенным со штоком, стойки с верхней плитой, нижний пуансон с нижней опорой, пластину с двумя втулками, в которую вставляется металлическая обойма, причем втулки выполнены с возможностью вертикального скольжения вдоль направляющих, установленных на нижнем основании, а на направляющих для втулок и нижнем пуансоне надеты упругие кольца для фиксации матрицы с нижним пуансоном и опорой на высоте нижнего основания, на любой из стоек закреплена на необходимой высоте поворотная цилиндрическая втулка, с закрепленной на ней штангой с вырезом для установки в нем обоймы с матрицей, нижним пуансоном и нижним основанием, с возможностью поворота, обеспечивающая возможность поворота установку обоймы в паз пластины с двумя втулками, причем паз выполнен с закруглением, радиус которого r=R, где R - радиус вращения обоймы вокруг стойки относительно центра паза пластины.
Такая усовершенствованная конструкция устройства позволяет зафиксировать обойму с матрицей и нижнем пуансоном с нижнем основанием на требуемой высоте, засыпать в матрицу порошок, поворачивать ее вокруг стойки и вставить в пластину в зоне уплотнения под шток пресса. Это позволяет значительно сократить время на получения готового изделия и повысить производительность труда. Кроме того отсутствие направляющих полос на пластине и подставкии под нижний пуансон с нижней опорой облегчают выпрессовку полученного изделия.
На фиг. 1 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов вид спереди.
На фиг. 2 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов вид сбоку.
На фиг. 3 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов вид сверху.
Сущность поясняется фиг. 1, на которой показано устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов. Оно включает импульсный источник энергии 1, верхний подвижный пуансон 2 и нижний неподвижный пуансон 3. Нижний пуансон 3 вставлен в нижнюю опору 4, которая помещена на нижнее основание 5, находящееся на нижней плите 6. Верхний подвижный пуансон 2 вставлен в верхнюю опору 7 и электрически изолирован от нижнего пуансона 3 изолирующими втулками 8, надетыми на крепление стойки 9. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от нагружающего устройства 10 (пневмопресса) через шток 11, которые изолированы друг от друга неэлектропроводной прокладкой 12. Электропроводный порошок 13 помещают в керамическую матрицу 14, выполненную из сиалона и зажатую в металлическую обойму 15. На нижней плите 6 установлены две направляющих 16 и 17, на которые надеты втулки 18 и 19, соединенные с пластиной 20, имеющую паз для установки в него обоймы 15. На направляющих 16, 17 и нижнем пуансоне 3 надеты упругие кольца 21, 22 и 23, например из вакуумной резины, для фиксации матрицы с нижнем пуансоном и опорой на высоте нижнего основания 5. На стойке 9 надета втулка 24, которая фиксируется на необходимой высоте упругим кольцом 25. На втулке 24 закреплена штанга 26 с пазом для обоймы 15. Втулка 24 со штангой 26 может поворачиваться вокруг стойки 9.
Устройство работает следующим образом. С помощью упругих колец 21 и 22 на направляющих 16 и 17 на необходимой высоте устанавливаются втулки 18 и 19 с пластиной 20 (фиг. 2). Втулка 24 со штангой 26 закрепляется на стойке 9 с помощью упругого кольца 25 так, чтобы плоскости пазов на пластине 20 и штанге 26 находились на одной высоте. Далее обойма 15 с матрицей 14, с вставленным в нее нижним пуансоном 3 с нижней опорой 4, помещается в паз на штанге 26. Глубина вхождения нижнего пуансона 3 в матрицу 14 фиксируется упругим кольцом 23. Порошок электропроводного материала 13 засыпается в матрицу 14, зажатую в обойму 15. Сверху в матрицу 14 вставляется верхний пуансон 2 с верхней опорой 7. После этого, вся эта сборка: матрица с порошком, обоймой и пуансонами поворачивается вокруг стойки 9 и вставляется в пластину 20 (фиг. 3). Затем запускается пневмопресс 10. Шток 11 опускается и порошок 13 поджимается пуансонами 2 и 3 Включается импульсный источник энергии 1, в нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника 1 через поджатый порошок 13, который разогревает его. В этот промежуток времени верхний подвижный пуансон 2, являющийся продолжением стойки 9 от нагружающего устройства 8, совершает перемещение вниз. Обойма 15 вместе с матрицей 14 и засыпкой порошка 13, также начинают двигаться вниз, происходит его уплотнение. Затем из матрицы с полученным образцом производится выпрессовка образца.
При радиусе паза в пластине, когда r=R обойма с матрицей будет точно вставляться в пластину. При других раз мерах радиуса г это будет существенно труднее.
Такая конструкция позволяет упростить и сократить процесс загрузки порошка в матрицу при электроимпульсном прессования порошковых материалов в многоразовой матрице. Это существенно сокращает время получения готового образца, а также облегчает выпрессовку полученного изделия.
Предлагаемое устройство было опробовано при получении таблеток из нитрида циркония. Были получены образцы требуемой плотности в количестве 18 штук за один час. В тоже время на известной установке можно было изготовить изделий порядка 12 штук.
Таким образом, применение описанного устройства для электроимпульсного прессования порошковых материалов позволяет повысить производительность труда более чем в 1,5 раза.