УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ УПРОЧНЕННОГО МЕТАЛЛА

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, а именно к устройствам, позволяющим упрочнять металл в процессе деформации.
Известно устройство для получения структур с субмикрокристаллическим и нанометрическим размером зерен способом равноканального углового прессования (РКУ-прессования), реализующее деформацию массивных образцов простым сдвигом [Сегал В.М. и др. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск.: Навука и тэхника, 1994, с.26].
При реализации РКУ-прессования заготовку неоднократно продавливают через матрицу, представляющую собой два пересекающихся канала, обычно под углом 90°, с одинаковыми поперечными сечениями.
В процессе РКУ-прессования для структурообразования весьма важным является направление и число проходов через каналы, при этом уже после нескольких циклов деформации (обычно 2-4 прохода) пределы текучести и прочности обрабатываемого материала достигают своего насыщения.
плавления
Недостатком этого устройства является невозможность получения заготовок с прямоугольными торцами. При деформации характер течения является таким, что верхние слои опережают нижние, и заготовка после деформации имеет заостренные под углом в 30° торцы. Для получения прямоугольных торцов необходимо механической обработкой удалять значительную часть металла, что существенно снижает коэффициент использования металла (КИМ). А при многоцикловой обработке КИМ снижается еще больше, т.к. операция по обработке торцов требуется перед каждым циклом прессования. В противном случае, из-за недостаточной устойчивости заостренной части заготовки, при деформации возникают дефекты типа «зажим». Данные дефекты также необходимо удалять механической обработкой, иначе при последующих циклах деформации возникает большая вероятность увеличения дефектной зоны на участках заготовки, примыкающих к торцам. Так как диаметры входного и выходного каналов устройства одинаковы, диаметр заготовки после деформации равен диаметру входного канала. Это вызывает трудности при повторной задаче заготовки (заготовки перед очередным циклом деформации необходимо обтачивать по диаметру на 0,5-1 мм). При деформации малопластичных металлических материалов инструмент и заготовку подогревают до температур (0,3-0,4)Т и ручная ориентация заготовок при последующих задачах во входной канал вызывает определенные трудности (заготовка во время переноса и последующей ориентации остывает, что требует дополнительного нагрева, и как следствие увеличения энергозатрат и времени РКУ-прессования). Ручная ориентация и задача заготовок во входной канал при втором и последующих циклах РКУ-прессования высокоактивных металлических материалов требует дополнительной защиты обслуживающего персонала.
nd
В качестве прототипа выбрано устройство реализующее метод интенсивной пластической деформации (ИПД) способом циклической деформацией «осадка-экструзия-осадка» («Cyclic Extrusion Compression (CEC)») [Richert J., Richert M. A new method for unlimited deformation of metals and alloys. Aluminium. - Vol.62. - P.604; Korbel A., Richert M. and Richert J. // Proc. 2 Ris⌀ Int. Sym. On Metallurgu and Material Science, Roskilde, September 14-18. 1981. - P.445]. Устройство состоит из рамы, в которой закреплена матрица с цилиндрическим каналом с выступом и двух пуансонов размещенных в этом канале.
th
При реализации способа СЕС к исходной заготовке прикладывают начальную нагрузку путем воздействия пуансонов на заготовку. Затем положение пуансонов фиксируют. После этого раму, в которой закреплена матрица, начинают циклически перемещать вдоль оси заготовки. В результате в заготовке возникает перемещающаяся переменно вверх-вниз зона пластической деформации. Отличительной чертой данной схемы является фиксированное положение рамы с оснасткой и циклическое перемещение заготовки относительно оснастки. Моделирование методом конечных элементов процессов течения материала при использовании указанного метода ИПД показало, что в ходе данного процесса в материале формируются зоны гидростатического напряженного состояния и зоны, в которых реализуются условия течения [Rosochowski A., Rodiet R., Lipinscki P. // Proc. of the 8 Int. Cjnference Metalforming 2000, Krakow, September. - 2000. - P.253]. При этом вначале материал заготовки подвергают экструзии, а затем осадке. [Перспективные материалы, том 2: Конструкционные материалы и методы управления их качеством. Под ред. Д.Л.Мерсона. ТГУ, МИСиС, 2007. - 468 с.]
Недостатком этого устройства является возможность использования его только для мягких материалов и невозможность получения массивных заготовок с повышенными прочностными свойствами из-за высоких давлений (по данным моделирования, вплоть до 4 ГПа) и ограниченной стойкости оснастки к таким давлениям. Недостатком также является сложность извлечения заготовки после процесса ИПД и невозможность получения заготовок с прямоугольными торцами. Для получения прямоугольных торцов необходимо механической обработкой удалять значительную часть металла, что существенно снижает коэффициент использования металла (КИМ).
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение производительности и эффективности процесса интенсивной пластической деформации, увеличение стойкости устройства к высоким давлениям, возможность применения устройства для интенсивной пластической деформации массивных образцов, снижение трудоемкости в процессе деформации и увеличение коэффициента использования металла.
Для решения поставленной задачи устройство для получения заготовок из упрочненного металла содержит матрицу с выполненным в ней вертикальным цилиндрическим каналом и двух пуансонов, установленных в канале, причем, по крайней мере, один из пуансонов разделен осевой плоскостью на две части, каждая из которых выполнена с возможностью перемещения вдоль оси матрицы.
В частном варианте на торец одной из частей пуансона установлена проставка для передачи давления от пресса.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется на следующих фигурах.
На фиг.1 представлена схема устройства, реализующая метод ИПД - СЕС (прототип).
На фиг.2 представлено устройство для получения заготовок из упрочненного металла с двумя пуансонами, причем один из пуансонов разделен осевой плоскостью на две части.
На фиг.3 представлено устройство для получения заготовок из упрочненного металла с двумя пуансонами причем, оба пуансона разделены осевой плоскостью на две части.
На фиг.4 представлена схема первого цикла, где а - до деформации, б - после деформации.
На фиг.5 представлена схема второго цикла, где в - до деформации, г - после деформации.
На фиг.6 представлена схема последнего цикла, где д - до деформации, е - после деформации.
На фиг.7 представлена схема извлечения заготовки, подвергнутой ИПД, из матрицы.
На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 представлены:
1, 2, 3 - пуансоны;
4, 5, 6, 7 - части пуансонов, разделенных осевой плоскостью.
8 - деформируемая заготовка;
9 - матрица;
10 - проставка;
11 - пуансон для извлечения заготовки и очистки канала матрицы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
плавления
Предварительно смазав канал матрицы 9, в нее закладывают заготовку 8, и устанавливают, также предварительно смазанные, пуансон 3 и части пуансона 4, 5. На торец части пуансона 4 устанавливают проставку 10. При необходимости матрицу в сборе нагревают до температуры (0,3-0,4)Т. Производят давление на проставку 10, в результате чего одна из частей пуансона 5 и часть заготовки 8 перемещается в канале матрицы 9 вертикально вверх - осуществлен первый цикл. После первого цикла проставку 10 устанавливают на торец другой части пуансона 5 и осуществляют повторную деформацию. В результате чего часть пуансона 4 и другую часть заготовки 8 перемещают в канале матрицы 9 вертикально вверх - осуществлен второй цикл. Процесс деформации по такой схеме можно осуществлять, в зависимости от механических свойств заготовки, неограниченное количество раз. В последнем цикле давление производят на торец одной из частей пуансона, без участия проставки, до совпадения торцевых плоскостей частей пуансона 4 и 5.
Извлечение деформируемой заготовки 8 из матрицы 9 осуществляют следующим образом.
После окончания процесса симметричной осадки, матрицу 9 с заготовкой 8, пуансоном 3 и частями пуансона 4, 5 размещают таким образом, чтобы обеспечить свободное перемещение заготовки 8, пунсона 3 и частями пуансона 4, 5 вертикально вниз. На торцы частей пуансона 4 и 5 устанавливают пуансон 11 и производят на него давление до момента выхода из вертикального канала матрицы пуансона 3, заготовки 8 и частей пуансона 4 и 5. После смазки канала матрицы, пуансона, частей пуансона и новой заготовки устройство готово к новой работе.
Для более интенсивного воздействия на заготовку вместо пуансона 3 можно использовать части пуансона 6 и 7, размещенные в нижней части вертикального канала матрицы. При этом деформация будет осуществляться по следующей схеме: после последнего цикла по вышеописанной схеме, при котором заготовка принимает исходную форму, матрицу 9, с размещенными в ней частями пуансонов 4, 5, 6, 7 и заготовкой 8, поворачивают на 180°, и с помощью проставки 10 поочередно воздействуют на части пуансона 6 и 7. Последний цикл, извлечение заготовки и очистка канала матрицы происходит аналогично схеме с использованием пуансона 3.
Предлагаемое устройство для изготовления изделий из упрочненного металла позволяет получить следующий технический результат.
Заготовку, подвергаемую продольно-симметричному выдавливанию, закладывают в устройство один раз и подвергают деформации при любом количестве циклов, при этом после последнего цикла деформации заготовка, в продольном сечении, имеет ровную прямоугольную форму, что позволяет не применять промежуточную механическую обработку к торцевой части заготовки, что, в свою очередь, приводит к увеличению КИМ и уменьшает как трудоемкость, так и время, необходимое на изготовление деталей. При извлечении заготовки из канала матрицы отсутствует необходимость в использовании пресс-шайб и, как следствие, не требуется их последующая утилизации после контакта с высокоактивным материалом. За счет простоты конструкции и отсутствия быстроизнашиваемых элементов повышена стойкость инструмента к высоким давлениям, возникающим в ходе процессов ИПД.
ИПД высокоактивных материалов по предложенной схеме с использованием предлагаемого устройства не требует дополнительной защиты обслуживающего персонала за счет минимального контакта с заготовкой.