УСТРОЙСТВО ДЛЯ УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ СО СКРУЧИВАНИЕМ

Полезная модель относится к обработке металлов давлением с использованием интенсивной пластической деформации и предназначена для получения заготовок из литых металлов и спеченных порошковых материалов с повышенными механическими характеристиками.
Известно устройство для комбинированной обработки материалов давлением, совмещающее РКУ-прессование и кручение, содержащее пуансон, две полуматрицы с вертикальным и горизонтальным пересекающимися каналами, закрепленные на основании, причем полуматрица с горизонтальным каналом жестко связана с зубчатым колесом, обеспечивающим вращение заготовки в горизонтальном канале (Утяшев Ф.З., Еникеев Ф.У., Латыш В.В., Петров Е.Н., Валитов В.А. Термомеханическая обработка для формирования ультрамелокзернистой структуры путем интенсивной пластической деформации. Тезисы международной конференции "Investigation and Application of Severe Plastic Deformation", NATO Sc., 1999, C. 73-77).
Недостатком известного устройства является невозможность достижения высоких пластических деформаций с сохранением целостности заготовки.
1
1
2
1
2
Известно устройство для обработки материалов давлением, содержащее пуансон, две полуматрицы - верхнюю и нижнюю, соответственно с вертикальным и горизонтальным пересекающимися каналами, закрепленные на основании, причем нижняя полуматрица жестко связана с зубчатым колесом, обеспечивающим вращение заготовки в горизонтальном канале, сменную шайбу, установленную на выходе горизонтального канала соосно ему и жестко соединенную с нижней полуматрицей, внутреннее отверстие которой меньше выходного отверстия горизонтального канала, и определяется исходя из обеспечения внутреннего давления в заготовке 5-10 тыс. МПа, причем вертикальный канал выполнен с заходной частью, имеющей площадь поперечного сечения, превышающую в 2-10 раз площадь поперечного сечения вертикального канала, а горизонтальный канал имеет последовательно расположенные от линии пересечения с вертикальным каналом входную цилиндрическую часть с диаметром поперечного сечения D, равным диаметру поперечного сечения вертикального канала, и длиной А, равной (0,1-2)D, конусную часть, меньшим основанием направленную к выходу горизонтального канала, причем диаметр меньшего основания конуса D равен (0,6-0,95)D, и выходную цилиндрическую часть с диаметром D (см. патент 2188091, RU, В21С 25/00, опубл. 27.08.2002, Бюл. №24).
Недостатком данного устройства является невозможность достижения высоких пластических деформаций с сохранением целостности заготовки.
Аналогом является устройство для углового прессования со скручиванием, содержащее две полуматрицы - верхнюю и нижнюю, соответственно с вертикальным и горизонтальным пересекающимися каналами, закрепленные в корпусе, причем нижняя полуматрица жестко связана с зубчатым колесом, обеспечивающим вращение заготовки в горизонтальном канале, а верхняя полуматрица жестко связана с зубчатым колесом, обеспечивающим вращение заготовки в вертикальном канале (см. патент 2268100, RU, В21С 25/00, опубл. 20.01.2006. Бюл. №2).
Недостатком аналога является низкий коэффициент полезного действия (КПД), связанный с потерей формы поперечного сечения концевой части отформованной заготовки, которую удаляют методами механической обработки.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение КПД за счет установки дополнительного канала для размещения в нем пуансона, предназначенного для удаления продеформированной заготовки из зоны действия верхнего пуансона.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для углового прессования со скручиванием содержит две полуматрицы - верхнюю и нижнюю, соответственно с вертикальным и горизонтальным пересекающимися каналами, закрепленными в корпусе, причем нижняя полуматрица жестко связана с зубчатым колесом, обеспечивающим вращение заготовки в горизонтальном канале, а верхняя полуматрица с зубчатым колесом, обеспечивающим вращение заготовки в вертикальном канале, между верней полуматрицей и колесом расположен полый вал, внутри которого установлен пуансон с возможностью перемещения вдоль оси вала и вместе с вращением колеса обеспечивающий вращение заготовки, верхняя полуматрица дополнительно снабжена боковым каналом, в котором установлен пуансон, расположенный соосно с боковым пуансоном нижней полуматрицы, при этом боковой пуансон верхней полуматрицы снабжен устройством вращения.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется графическими материалами:
фиг. 1 - схема устройства, разрез А-А по фиг. 2;
фиг. 2 - схема устройства, вид Б по фиг. 1;
фиг. 3 - вид зоны матрицы по фиг. 1;
фиг. 4 - момент окончания перемещения заготовки из вертикального в горизонтальный канал сборной матрицы;
фиг. 5 - момент вывода заготовки из зоны действия вертикального пуансона;
фиг. 6 - момент начала прессования второй заготовки с одновременным удалением первой, ранее продеформированной заготовки из устройства.
Устройство для РК-прессования содержит корпус 1, в котором размещена составная матрица, состоящая из двух полуматриц: верхней 2 и нижней 3.
Верхняя полуматрица 2 имеет вертикальный 4 и горизонтальный 5 каналы, нижняя полуматрица 3 боковой канал 6, при этом боковые каналы 5 и 6 имеют общую геометрическую ось.
На корпусе 1, осесимметрично каналам 4, 5 и 6, выполнены полости (позициями не обозначены), в которых вмонтированы вертикальный вал 7 и боковые валы 8, 9. В валах 7, 8 и 9 выполнены осевые отверстия (позициями не обозначены), которые являются продолжением вертикального 4 и бокового 5 каналов верхней полуматрицы 2, а также горизонтального вала 8 нижней полуматрицы 3.
В осецентрированных отверстиях валов размещены пуансоны 10, 11 и 12 с возможностью поворота вокруг их продольных осей, например, путем использования направляющих шлицевых пазов и шпонок (позицией не обозначены).
z0
пр
выт
Верхний пуансон 10 под действием осевой нагрузки P имеет возможность проталкивать заготовку 13 из вертикального канала 4 в горизонтальный боковой канал 6, при создании на боковом горизонтальном пуансоне 12 противодавления Р. Пуансон 11 бокового канала 5 предназначен для передачи отформованной заготовке 14 давления выталкивания Р (фиг. 1) с целью перемещения ее в горизонтальный канал 6 и в дальнейшем на выход из устройства РК-прессования в приемный лоток (на фиг. не показано).
Валы 7, 8 и 9 оснащены приводами 15, 16 и 17 для кругового вращения пуансонов вокруг их продольных осей. Приводы вращения валов выполнены известным образом, оснащены мотор-редукторами, управляемыми системой ЧПУ.
Конструктивное оформление области пересечения каналов 4, 5 и 6 выбирается исходя из компьютерного моделирования с расчетом неравномерности износа рабочих кромок каналов и течения металла в каналах составной матрицы 2-3.
1
2
Оптимальными отношениями радиусов, сглаживающих перегиб (место пересечения линии OO) кромок сквозных отверстий каналов 4, 5 и 6 сборной матрицы 2-3 при угле разворота 90°, приняты следующие: внутренний радиус пересечения каналов сборной матрицы составляет 0,125⋅d, внешний - 0,33⋅d, где d - диаметр сквозных каналов сборной матрицы (фиг. 3).
кр
0
4
Относительный угол скручивания β в границах упругих деформаций под действием крутящего момента М определяется отношением угла закручивания ω к длине  заготовки, расположенной в направляющем вале, и может быть выражен уравнением:  где J - геометрический полярный момент инерции (см),  - длина скручиваемого участка заготовки (см), G - модуль сдвига (Па).
1
2
Деформация сдвига реализуется в плоскости пересечения вертикального и бокового каналов, которая в плоскости ZOX выражена линией OO (фиг. 3). Для построения кривых упрочнения используют образцы-заготовки с цилиндрической рабочей частью и регистрируют угол поворота валов 7 и 9, соответствующих крутящему моменту  Искомая функция - максимальные касательные напряжения т определяются из уравнения:
где максимальный сдвиг -γ можно найти по формуле П. Людвика
s
so
0
где σ, σ - сопротивление деформации при скоростях деформации ε и ε соответственно; n - константа, определяемая экспериментально.
i
Интенсивность деформаций в произвольной точке заготовки ε связана с координатой этой точки r соотношением:
0
где ε - интенсивность деформаций на поверхности заготовки;
В результате больших пластических деформаций размеры структурных элементов (кристаллитов, фрагментов, границ раздела и т.д.) уменьшаются и достигают значений, характерных для нано (10-100 нм) - и субмикроматериалов (100-1000 нм). Вследствие этого сильнодеформированные металлы приобретают качественно новые свойства, в частности, они приобретают высокую пластичность в сочетании с большой прочностью.
Извлечение из устройства РК-прессования продеформированной заготовки при помощи легкоплавких материалов или различного вида пыжей путем проталкивания их через вертикальный канал приводит к образованию на заготовке выраженного дефекта в виде сплющенной хвостовой части, которая впоследствии отделяется режущим инструментом, так как не может быть восстановлена по форме основной части заготовки (это приводит к уменьшению КПД материала до 25%).
Работа устройства осуществляется следующим образом
Этап №1. Устройство РК-прессования устанавливают на стол гидравлического пресса и закрепляют: корпус на столе; верхний пуансон 10 вводят в отверстие d вала 7 и крепят на ползуне пресса. Боковой пуансон 11 вводят в канал вала 5, при этом рабочий торец пуансона закрепляют на уровне образующей вертикального канала 4, также как и рабочий торец пуансона 12. Опорные торцы боковых, горизонтальных пуансонов соединяют с плунжерами исполнительным элементом (на фиг. не показано) пневмо-гидроцилиндров, управляемых системой ЧПУ.
Заготовку 13 помещают в отверстие вала 7 канала 4 полуматрицы 2. Ползуном пресса перемещают верхний пуансон 10 в канале 4 вала 7 до контакта с заготовкой 13.
пр
пр
К боковому пуансону 12 прикладывают противодавление Р, которое предохраняет металл от разрушения как в процессе деформирования, так и после выхода заготовки из бокового канала 6 вала 9 нижней полуматрицы 3. Противодавление Р исключает появление растягивающих напряжений, при этом по всему объему сохраняется условие:
s
ср
где σ - предел текучести, σ - среднее гидростатическое давление
Опускают ползун пресса и пуансоном 10 начинают перемещать заготовку 13 из вертикального канала 4 в горизонтальный боковой канал 6.
n
1
2
В процессе перемещения заготовки 13 величина гидростатического давления подпора ρ меняется с увеличением степени деформации ε металла в зависимости от склонности материала к трещинообразованию. Под действием нормальных напряжений σ, перпендикулярно направленных к плоскости скольжения (OO на фиг. 3), трещины раскрываются. Условия образования зародыша трещины описываются уравнением:
где n - число дислокаций в скоплении; τ - поверхностная энергия.
пр
В большинстве случаев увеличение степени деформации ε приводит к уменьшению величины противодавления Р. Из-за повышения равномерности истечения материала и увеличения связи между зернами металла происходит стабилизация состояния металла.
Линейная и угловая скорости связаны между собой соотношением:
r
вн
н
н
где R* - средний радиус перехода деформируемой заготовки из верхнего канала в боковой канал (см),  R - средний радиус перехода между каналами (см),  r - внутренний радиус пересечения каналов; R - наружный радиус пересечения каналов (фиг. 3), d - диаметр канала (см), ω - угловая скорость поворота направляющей втулки (рад/с).
Величина накопленной деформации при деформировании материала в пересекающихся каналах определяется уравнением:
i
где ϕ - угол между каналами на i-ом этапе деформирования.
р
Предельное число циклов n равноканального деформирования заготовки определяется уравнением:
*
где ε - предельная деформация материала заготовки на сдвиг; С - материальная константа, 0≤С≤1.
Верхний пуансон 10 надавливает на заготовку 13 и создает условия пластического течения материала заготовки в боковой канал 6 составной полуматрицы 2-3.
При создании бокового давления
боковой пуансон 12 начинает перемещаться, освобождая место течению деформируемого металла. Здесь ξ - коэффициент бокового давления, определяемый из уравнения:  где μ - коэффициент Пуассона. При этом проводится регулировка скорости перемещения бокового пуансона 12 из условия:
4
4
6
6
10
где Δs, ρ - площадь поперечного сечения заготовки и относительная плотность заготовки в вертикальном канале 4; Δs, ρ - площадь поперечного сечения и относительная плотность заготовки в боковом канале 6; ϑ - скорость перемещения вертикального пуансона 10.
7
9
Этап №2. Включают вращение вертикального вала 7 который начинает вращать верхний пуансон 10 поворотом на угол ω и вращение бокового вала 9 вместе с боковым пуансоном 12 поворотом на угол ω.
7
2
1
2
В результате осадки заготовки 13 возникают распорные усилия, обеспечивающие на стенке вала 7 трение Т, а на стенке составной части матрицы 2 - трение Т, которые суммируясь, дают возможность послойного (по высоте) перемешивания объема заготовки 13, расположенной на плоскости сдвига по линии OO, и измельчения зерна, формирующего структуру материала заготовки.
Со стороны бокового канала 6 аналогичные распорные усилия создают условия перемешивания материала заготовки 13 (14) и дробления зерна.
1
2
Вращение боковой втулки 9 заканчивают после пересечения торца верхнего пуансона 10 с плоскостью сдвига вдоль линии OO (фиг. 3).
Этап №3. Процесс деформации заканчивается в момент подхода рабочего торца верхнего пуансона 10 до образующей боковых каналов 5 и 6, расположенных соответственно в горизонтальных валах 8 и 9. (фиг. 4).
Затем отключают механизмы вращения направляющих валов 8 и 9.
Включают привод 16 и перемещают продеформированную заготовку 14 до контакта рабочего торца бокового горизонтального пуансона 11 с боковым каналом 6 (фиг. 5).
Этап №4. Извлечение заготовки 14 из устройства.
Возможны два варианта.
продолжение деформирования:
в вертикальный канал 4 вставляют новую заготовку 13, при этом нижний торец этой заготовки располагается между рабочим торцом бокового пуансона 11 и торцом продеформированной заготовки 14. (фиг. 6) и проводят деформирование заготовки 13 по этапам 1, 2 и 3;
извлечение продеформированной заготовки 14 из устройства РК-прессования:
в канал 4 помещают пыж, состоящий из асбест-углеродного материала и графитовой смазки. Затем опускают на некоторую высоту верхний пуансон 10 и боковым пуансоном 11 проталкивают заготовку 14 в приемный лоток.
н
При необходимости проведения второго этапа РК-прессования привод вращения 16 бокового пуансона 11 вращает заготовку 14, что способствует созданию благоприятных условий для проведения редуцирования продеформированной заготовки 14. Для этого на выходе бокового канала 6 нижней полуматрицы 3 устанавливают мундштук, поперечное сечение конусной части которого меньше поперечного сечения бокового канала 6 на величину, равную (0,6-0,95)d. Выбираемый диаметр канала зависимости от величины упругого последействия материала продеформированной заготовки.
Применение бокового горизонтального пуансона 11 для выталкивания заготовки 14 позволяет повысить коэффициент полезного действия материала за счет сохранения формы профиля заднего торца продеформированной заготовки.
Пример
Прессование брикета из алюминиевых гранул АМг6 состава.
Технологический процесс состоит из 2-х переходов, последовательного перемещения заготовки в двух плоскостях со скручиванием и изменением плоскости сдвига поворотом заготовки вокруг продольной оси на угол 90° с одновременным изменением направления сдвига на угол 180°.
zo
бок
Осевое усилие (Р) составляет 400 МПа, боковое давление (Р) на пуансоне 10 с учетом коэффициента бокового давления, равного ξ=0,51, находится в диапазоне min…max, а именно:
6
Скорость перемещения верхнего пуансона 10 в вертикальном направлении составляет ϑ=12,5 мм/с, скорость перемещения бокового пуансона 12 в горизонтальном направлении, при условии полного заполнения заготовкой образующего канала, определяем уравнением:
7
При скорости перемещения бокового пуансона меньше ϑ происходит полное заполнение бокового канала, но процесс прессования не идет, так как скорость перемещения бокового пуансона уменьшается. Вследствие этого, истечение заготовки происходит неравномерно, что снижает качество получаемого изделия.
12
При скорости перемещения бокового пуансона больше ϑ происходит неполное заполнение канала, и геометрия изделия не соответствует заданной.
р
Предельное число циклов n равноканального деформирования заготовки приведено в уравнении:
Решение уравнения показывает, что возможно проведение еще не менее 3-х циклов деформирования.
«Винтовое» угловое равноканальное прессование приводит к сложению угловой деформации:
по углу закрутки
и углового сдвига
в плоскости сдвига суммарная деформация после аппроксимации принимает вид:
где  η - показатель напряженного состояния
i
λ - коэффициент чувствительности пластичности к изменению схемы напряженного состояния.
i
р
В полулогарифмических координатах λ - тангенсы угла наклона прямых построены в координатах ε(η)
1
при 1≥η≥0:
при 0≥η1≥- 1:
ω=120° - угол между каналами равноканальной матрицы,
3
2
2
5
в
Получен брикет размерами 20,1×20,1×92,5 мм. Плотность алюминиевого брикета составила 2645 кг/м (99,8% относительно теоретической плотности литого алюминия), относительное удлинение δ~6%, предел прочности - σ~360 МПа, при этом скорость коррозии детали в серной и азотной кислотах менее 0,8 г/м за 24 часа. Скорость коррозии в интервале рН от 4 (3% NaCl+HCl) до 9 (3% NaCl+NaOH) менее 1 мг/см за 24 часа.