СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ЗАГОТОВОК
METHOD OF BILLETS EXTRUSION

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для прессования прутковых и проволочных заготовок.
Известен способ обработки металлов прессованием, заключающийся в выдавливании металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие матрицы (см. Суворов И.К. Обработка металлов давлением: Учебник для вузов - М.: Высш. школа, 1980, с.289).
Данный способ обработки металлов давлением находит широкое применение при производстве прутковых, трубных и профильных изделий. К основным преимуществам относятся возможность пластической деформации с высокими вытяжками, в том числе малопластичных металлов и сплавов, высокое качество поверхности и точность получаемых изделий.
м
м
При прессовании основным технологическим инструментом является матрица. По форме матрицы изготовляют коническими с одним или двумя рабочими коническими участками, плоскими и радиальными. Наибольшее распространение получили конические матрицы с одним конусом (см. тот же источник, с.205). Основной геометрической характеристикой конической матрицы является угол наклона образующей конуса матрицы к оси прессования α. Угол α определяет усилие прессования, энергетические затраты при прессовании и технико-экономические показатели процесса прессования.
Данный способ прессования с использованием конических матриц выбран в качестве прототипа заявляемого способа.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения, - способ прессования заготовок, заключающийся в выдавливании металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие конической матрицы.
м
Недостатком известного способа прессования заготовок с использованием конических матриц является то, что он не учитывает геометрические характеристики конической матрицы и технологические особенности процесса прессования, в частности угол наклона образующей конического канала матрицы к оси прессования α, который является одним из основных параметров, влияющих на усилие прессования, энергетические затраты при прессовании и технико-экономические показатели процесса прессования.
Из практики применения процесса прессования известно, что усилие прессования и технико-экономические показатели процесса в значительной степени зависят от величины пластической деформации, определяемой коэффициентом вытяжки, а также от условий трения в очаге деформации между прессуемым изделием и матрицей, которые определяются коэффициентом трения.
м
Задачей изобретения является снижение усилия прессования и улучшение технико-экономических показателей процесса прессования за счет применения конических матриц оптимальной геометрии, характеризуемой оптимальным значением угла конусности α.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе прессования, заключающемся в выдавливании металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие конической матрицы, используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой составляет:
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>м</mi><mrow><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>m</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1.14</mn><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                                                             (1)</mtext></mrow>
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- коэффициент вытяжки;
0
1
R и R - радиусы исходной заготовки и пресс-изделия соответственно.
Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - использование матрицы, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой регламентируется вышеприведенной математической зависимостью, учитывающей коэффициент трения и величину вытяжки.
Способ прессования заготовок поясняется чертежом, на котором показана схема сил, действующих при прессовании.
Одним из основных параметров при прессовании является усилие прессования, при этом необходимо иметь минимальное усилие прессования с целью снижения энергозатрат. Полное усилие при прессовании представляется в виде суммы составляющих [Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия. 1975, 448 с.]
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>м</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>к</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Т</mi><mi>ш</mi></msub><mo>±</mo><mi>Q</mi><mo>,</mo><mtext>                                 (2)</mtext></mrow>
кр
где Т - результирующая сила трения на поверхности контейнера;
м
Т - результирующая сила трения в зоне деформации на поверхности контакта прессовой матрицы и заготовки;
пл
Т - усилие, затраченное на пластическую деформацию;
к
Т - результирующая сила трения на поверхности калибрующего пояска матрицы;
ш
Т - усилие, затрачиваемое на преодоление сил трения между металлом и пресс-шайбой;
Q - усилие противодавления или переднего натяжения (±Q).
Полное усилие прессования (2) приводится к среднему напряжению прессования:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><msub><mi>F</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                 (3)</mtext></mrow>
0
где F - площадь сечения исходной заготовки.
Соответствующие отдельные составляющие уравнения (2) приводятся к удельным нормальным и касательным напряжениям системы внешних сил (чертеж).
м
м
пл
м
м
Из практики прессования известно наличие оптимальных углов наклона образующей конической матрицы к оси прессования α. От угла α соотношении (2) зависят составляющие Т и Т, поэтому оптимизация геометрии прессовой матрицы заключается в определении оптимального значения угла α.
Напряжение прессования при пластическом деформировании равно [Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия. 1975,448 с.].
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>ε</mi></munderover><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>s</mi></msub><mi>d</mi><mi>ε</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                         (4)</mtext></mrow></mrow></mstyle></mrow>
s
где σ, - сопротивление деформации прессуемого материала;
ε - степень деформации при прессовании.
Степень деформации при деформации в коническом инструменте определяется с учетом вытяжки и дополнительных сдвиговых деформаций на входе в конический технологический инструмент и выходе из него в следующем виде [см. Колмогоров Г.Л., Кузнецова Е.В. О степени деформации при осесимметричном деформировании. // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 2000, с.31-33.]:
<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>                                                          (5)</mtext></mrow>
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
где
- коэффициент вытяжки;
0
1
R и R - радиусы исходной заготовки и пресс-изделия соответственно.
Для усредненного значения сопротивления деформации составляющая напряжения прессования, связанная с пластической деформацией, с учетом соотношения (5) составит:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">(</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 stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                                                 (6)</mtext></mrow>
В свою очередь проекция результирующей сил трения на ось прессования для конической поверхности рабочей части матрицы составит
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>τ</mi><mi>м</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mi>м</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mi>м</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>σ</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                               (7)</mtext></mrow>
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
м
τ - касательное напряжение;
м
F - поверхность конической части матрицы.
Из геометрических соотношений для боковой поверхности конуса имеем:
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext>                                                   (8)</mtext></mrow>
С учетом соотношения (8) проекция результирующей силы трения на ось прессования будет равна:
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                 (9)</mtext></mrow>
В общее среднее напряжение прессования вклад от преодоления сил трения в зоне деформации составит:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>f</mi><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>                                            (10)</mtext></mrow>
Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определяется из условия минимума полного напряжения прессования:
<mrow><mfrac><mo>∂</mo><mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>a</mi><mi>м</mi></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mi>м</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0</mn><mtext>                                                 (11)</mtext></mrow>
После дифференцирования соотношений (6) и (10), преобразований и упрощений получаем формулу:
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>м</mi><mrow><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>m</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1.14</mn><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>f</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                                                             (1)</mtext></mrow>
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- коэффициент вытяжки;
0
1
R и R - радиусы исходной заготовки и пресс-изделия соответственно.
Пример конкретной реализации
м
Стальную заготовку прессовали в горячем состоянии при λ=10. Для прессования применили стандартную матрицу с α=36,1°. Сопротивление деформации заготовки составляло 110 МПа. Для приведенного сопротивления деформации напряжение прессования составило 345,5 МПа.
пр
В соответствии с формулой (1) оптимальным углом наклона образующей конического канала матрицы оказался угол, равный 26,1°, которому соответствует напряжение прессования σ=325,3 МПа.
Таким образом, оптимизация угла наклона образующей конического канала матрицы привела к снижению напряжения прессования на 20,2 МПа, что составляет 5,8%.
Предлагаемый способ позволяет выбрать оптимальный угол наклона образующей конического канала матрицы к оси прессования, учитывающий технологические особенности процесса прессования. В результате обеспечивается снижение усилия прессования и повышение технико-экономических показателей процесса прессования.