ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, а именно, к оборудованию для компактирования порошкообразных материалов из мелкодисперсных порошков в брикеты, например, вводимые в расплавы металлов в качестве легирующих или модифицирующих добавок.
Известна пресс-форма для прессования порошка, содержащая верхнее и нижнее основания, в верхнем основании установлен верхний пуансон, имеющий возможность упругого перемещения в плоскости, перпендикулярной его оси и в направлении, параллельном его оси, за счет наличия в нем пазов, в которых размещены упругие элементы, контактирующие с верхним пуансоном. Верхнее основание имеет четыре направляющих скоса, которые обеспечивают перемещение подвижных стенок матрицы, состоящей из шести пластин. На нижнем основании, предназначенном для крепления на столе пресса, размещен нижний пуансон, имеющий возможность упругого перемещения в плоскости, перпендикулярной его оси за счет упругих элементов, которые размещены в пазах нижнего основания. На нижнем основании установлена одна пара подвижных смежных стенок матрицы - правая и передняя, имеющих возможность упругого перемещения в плоскости, перпендикулярной нижнему пуансону. Другая пара подвижных смежных стенок матрицы - левая и задняя - установлены на упругие элементы в пазах нижнего основания. Торцевые стороны этих стенок имеют возможность контактирования с рабочей поверхностью верхнего пуансона, а их боковые поверхности - с нижнем пуансоном. Также на нижнем основании установлены с возможностью перемещения четыре клина, контактирующие со стенками матрицы и со скосами верхнего основания.
(а.с. СССР №1268285, кл. B22F 3/02, 1986 г.)
Недостатком конструкции данной пресс-формы является жесткая связь между нижним основанием и нижнем пуансоном, ограничивающая диапазон возможного перемещения нижнего пуансона, а вместе с ним и пары смежных стенок матрицы - правой и передней, в направлении вертикальной оси, что в процессе прессования может приводить к смещению общего гипотетического центра прессовки в сторону нижнего основания и, как следствие, к образованию «застойных зон» в месте контакта смежных стенок матрицы и нижнего пуансона, что снижает качество конечного изделия.
В результате могут иметь место потери давления на внешнее трение частиц порошка о стенки пресс-формы (Уманский A.M. Прессование порошковых материалов. М., Металлургия, 1981. 81 с. с ил.), при этом повышение давления прессования практически не влияет на величину перепадов. Трение частиц порошка друг о друга, их взаимное зацепление и заклинивание затрудняют перемещение частиц в стороны от направления прессования. В результате на боковые стенки пресс-формы передается значительно меньше давления, чем в направлении прессования. В подвижной части брикета со стороны перемещающихся пуансонов плотность на периферии уменьшается от края к центру, а в нижних слоях - от центра к периферии. Со стороны неподвижной части брикета каждый вышележащий слой оказывается плотнее нижележащего. Слои, прилагаемые к пуансонам, несколько толще последующих слоев, обращенных к центру, так как в них сказывается влияние трения частиц порошка на поверхности пуансона. У торца неподвижного пуансона частицы порошка передвигаются в процессе прессования на меньшее расстояние из-за трения о стенки. Потери усилия прессования на внешнее трение зависят от коэффициента трения в паре материал прессуемого брикета - материал пресс-формы, склонности к схватыванию в этой паре, качества обработки стенок пресс-формы, наличия смазок, высоты прессуемого брикета.
Известна пресс-форма для прессования брикетов из порошкообразного материала, содержащая верхнее основание с размещенным в нем верхним пуансоном, нижнее основание с размещенным в нем нижним пуансоном. В нижнем основании дополнительно попарно напротив друг друга размещены боковые пуансоны, выполненные с возможностью перемещения навстречу друг другу, при этом каждая их пара перемещается в своей плоскости. Рабочая полость образована верхней, нижней и четырьмя боковыми пластинами, каждая из которых контактирует с рабочей поверхностью одного из пуансонов. Прессование проводят либо одновременным перемещением всех пластин в сторону общего геометрического центра, с последующим реверсированием их перемещения, либо перемещением расположенных друг напротив друга боковых пластин, либо перемещением верхней и нижней пластин, либо перемещением пары боковых пластин.
(патент РФ №2510308 кл. B22F 3/02, B22F 3/03, B30B 15/02, 2012 г.) - наиболее близкий аналог.
Основным недостатком, рассмотренного выше технического решения является невозможность проводить многоэтапное деформирование методами осадки-раздачи со сменой направлений формообразования, заключающееся в смене схемы деформирования, например, сжатия на растяжение в цикле формообразования, при котором направление движения исполнительных органов (пластин) должны иметь возможность изменять направление перемещения по трем декартовым координатам как в одном, так и в противоположном направлениях.
Конструктивно, рабочие органы пресс-формы (пуансоны, пластины) не предназначены изменять направления формообразования заготовки в процессе ее деформирования на противоположные, что не позволяет, в частности, использовать технологии немонотонного деформирования, характерным для которых является чередование процессов сжатия, растяжения и кручения, повышающее плотность, снижающее анизотропию, и, в совокупности, расширяющее технологические возможностей способов прессования.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышения качества прессования за счет исключения «застойных» зон порошка при его прессовании, что обеспечивается созданием гибкой связи между рабочими элементами деформирующего инструмента и обрабатываемого материала.
Указанный технический результат достигается тем, что пресс-форма для прессования брикетов из порошкообразного материала содержит нижнее основание с размещенным в нем нижней матрицы, нижним пуансоном; верхнюю плиту с размещенным в нем верхней матрицы и верхним пуансоном, перемещающихся в сторону общего геометрического центра и в совокупности образующих замкнутую матричную полость, дополнительно на основании размещен боковой пуансон, одновременно контактирующий с верхней и нижней матрицами, формирующий три стенки замкнутой матричной полости, верхняя матрица и боковой пуансон снабжены приводами, при этом верхняя матрица и пуансоны выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения формообразующие заготовку.
Повышение качества брикета и улучшение его структуры, обеспечивается за счет устранения несплошности материала по объему прессовки. Известно, что смена вектора основного усилия с одновременным изменением схемы прессования (сжатие-растяжение-сдвиг) приводит к тому, что центральные слои принудительно перемещаются на периферию заготовки. При этом действие тангенциальных сил на поверхности компактируемой заготовки, направленных параллельно оси прессования, совместно с тангенциальными силами, направленными перпендикулярно оси прессования, приводят к перемешиванию составных компонентов структуры заготовки и, как следствие, к более плотной и равномерной их упаковке при меньшем наружном давлении.
Пресс-форма выполнена таким образом, что дополнительный средний пунсон может изменять объем матричной полости в направлении, перпендикулярном направлению перемещения верхнего и нижнего пуансонов, изменяя тем самым направление течения материала заготовки. При этом прессование может производится циклично, одновременно-последовательно по двум взаимно перпендикулярным осям пространственной прямоугольной системы координат, одновременно и попарно в направлении каждой координатной оси с чередованием направления действия усилий сжатия-растяжения, то в сторону приближения к общему геометрическому центру системы координат, то с отдалением от него с увеличением значений удельных усилий и уменьшением абсолютных значений обжатий при каждой смене цикла.
Устранив несплошность материала внутри прессовки, можно улучшить качество структуры материала. Например, путем принудительного перемещения центральных слоев на периферию заготовки при одновременном сжатии частиц порошка.
Известно, что относительные перепады плотности порошковой массы по контуру пресс-формы в полтора раза превышают послойные перепады и в два раза - перепады в средней части слоев. При этом повышение давления практически не влияет на величину перепадов.
Известно (Вайцехович С.М., Михалевич В.М., Бараев А.В., Кривенко Г.Г., Красуля А.А. Немонотонное деформирование порошковых материалов. / Сб. к 75-летию ФГУП «НПО «Техномаш». «Прогрессивные разработки ученых - новым изделиям ракетно-космической техники». Издательский центр «Технология Машиностроения», Москва, 2013, с. 166-172 ISSN 1562-322Х), что при монотонном процессе деформирования, обусловленном какой-либо одной схемой деформации, например, либо сжатием, либо растяжением, в материале заготовки накапливаются микроповреждения структуры, которые и приводят к разрушению заготовки задолго до достижения последней оптимального уровня физико-механических свойств.
Процессы немонотонного деформирования построены на совмещении или чередовании различных схем деформации, например, сжатии-растяжении-сдвиг, в вертикальном направлении и раздачи ее в горизонтальном направлении и наоборот при этом в процессе деформирования меняется как схема напряженно-деформированного состояния материала так и направление приращений главных деформаций (Михалевич В.М., Вайцехович С.М. Разработка процессов немонотонного деформирования порошковых материалов. В сб.: Пути повышения эффективности производственного и научного потенциала на предприятиях машиностроения. Обл. МТК, Винница, 1988, с. 15-16).
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, где:
на фиг. 1 - пресс-форма, вид спереди, исходное положение, ход верхнего пуансона (6) пуансонов и нижнего пуансона (3) навстречу друг друга, уплотнение порошковой заготовки (13);
на фиг. 2 - пресс-форма, вид слева;
на фиг. 3 - пресс-форма, вид сверху, разрез А-А по фиг. 1;
на фиг. 4 - пресс-форма, вид спереди, перемещение бокового пуансона (7) по оси +Х, верхнего пуансона (6) по оси -Y, нижнего пуансона (3) по оси +Y;
на фиг. 5 - пресс-форма, вид спереди, перемещение бокового пуансона (7) по оси -X, верхнего пуансона (6) по оси +Y, нижнего пуансона (3) по оси -Y;
на фиг. 6 - пресс-форма, вид спереди, извлечение изделия (14) перемещением нижнего пуансона (3) вверх, вдоль оси +Y,
на фиг. 7 - пресс-форма, вид спереди, извлечение изделия (14) перемещением верхней матрицы (4) вдоль оси -X.
Пресс-форма для прессования брикетов из порошкообразного материала состоит из основания 1, на котором размещены нижняя матрица 2, нижний пуансон 3,верхней матрицы 4 и верхней плиты 5 на которой расположен верхний пуансон 6. Между нижней 2 и верхней 4 матрицами установлен боковой пуансон 7, контактирующий с их рабочими поверхностями и имеющий возможность перемещаться в горизонтальной плоскости за счет привода 8, как и верхняя матрица 4, у который аналогичное перемещения осуществляется приводом 9, расположенный на торце верхней матрицы 4. Основание 1 и верхняя плита 5 соединены через направляющую колонку 10, которая центрирует оси нижнего 3 и верхнего 6 пуансонов. Направляющие колонки 10 запрессованы в основание 1 и контактируют с направляющими втулками 11, установленными в верхней плите 5, кроме того, на направляющих колонках 10 надеты опорные втулки 12, ограничивающие ход верхней плиты 5 вниз за счет контакта торцевых поверхностей направляющих 11 и опорных 12 втулок, что ограничивает вниз ход верхней плиты 5 и предохраняет устройство от поломки. Верхняя плита 5 крепится к ползуну пресса, а основание - к столу пресса. В матричную полость вставляют порошковую заготовку 13, которую прессуют и получают деталь 14.
Пресс-форма работает следующим образом.
Основание устройства закрепляют установочными болтами на нижней плите пресса, а верхнюю плиту крепят к ползуну пресса. Работу пресс-формы рассмотрим по этапам выполнения процесса прессования:
- этап №1, ползун пресса поднимают наверх, в крайнее верхнее положение, что определяет открытую высоту устройства;
- этап №2, в верхнюю матрицу 4 засыпают порошок или вставляют брикет - предварительно спрессованную порошковую заготовку, которая проваливается через рабочее очко верхней матрицы и через зазор, образованный внутренними стенками бокового пуансона 7 и боковой стенки нижней матрицы 2 и укладывается на рабочий торец нижнего пуансона 3;
- этап №3, включают пресс и опускают ползун пресса по оси OZ до контакта верхнего пуансона 6 с порошковой заготовкой 13 (фиг. 1, 2 и 3);
- этап №4, включают гидравлическую подушку пресса и производят одновременное перемещение (по оси OZ) нижнего пуансона 3 и верхнего пуансона 6 к общему геометрическому центру и уплотняют порошковую заготовку до заданной плотности, пористости, при которой начинают перемещать приводом 8 боковой пуансон 7 (по оси OX), Δ - направление, начало перемещение бокового пуансона 7 (фиг. 4);
- этап №5, при выставлении рабочих торцов нижнего 3 и верхнего 6 пуансонов на одну плоскость соответствующих матриц, приводом 8 боковой пуансон 7 начинают отводить в исходное положение, как и верхний пуансон 6, при неподвижном нижнем пуансоне 3. В этом случае скорости перемещения бокового пуансона 7 и верхнего пуансона 6 согласуются таким образом, чтобы обеспечивать сохранение объема прессуемой заготовки (фиг. 5). На этом цикл формообразования детали может быть достаточен, если нет, то цикл формообразование может быть повторен;
- этап №6, по достижении бокового пуансона 7 исходного положения, в случае окончания процесса прессования детали 14, производят перемещение нижнего пуансона 3 вверх до удаления отпрессованной детали 14 из замкнутой матричной полости (фиг. 6).
В зависимости от технологических задач, прессование заготовки могут повторить в других различных комбинациях, например на этапе №5 нижний пуансон опускают вниз с одновременным подъемом наверх верхнего пуансона 6, или на этапе №6 перед удалением детали из матричной полости производят подпрессовку заготовки одновременным перемещением навстречу друг другу верхнего 6 и нижнего 3 пуансонов.
Извлечение готовой детали можно производить путем перемещения верхней матрицы 4 по горизонтали приводом 9 (фиг. 7).
Работа пресс-формы представлена примером по прессованию алюминиевых гранул.
В матричную полость устройства размером 20×20×340 мм засыпали 100 г. алюминиевые гранулы АПВ, сферической формы диаметром 0,2÷5 мм используемой для производства алюминиевой серии порошковой проволоки для раскисления стали.
3
3
т
Насыпная плотность алюминиевых гранул составляло = 0,75 г/см, теоретическая плотность алюминия - ρ=2,7 г/см (фиг. 1, 2 и 3).
3
6
3+6
На этапе №1 (фиг. 1, 2 и 3) верхним 6 и нижним 3 пуансонами производили двухстороннее обжатие гранул со скоростью ϑ+ϑ=ϑ=12,5 мм/с. В направлении
Усилие обжатия составило 320 МПа.
1
3
Относительная плотность брикета ρ=2,24 г/см, что составило 80% от плотности теоретической. Высота брикета составляла 112 мм.
p
бок
На этапе №2 (фиг. 4) осевое усилие (P), составляло 400 МПа, боковое давление (P), на пуансоне 7 определяли из соотношения:
p
бок
p
0,2P·ξ≤P≤0,5·P·ξ,
где ξ - коэффициент бокового давления,
В сою очередь коэффициент бокового давления определяется формулой:
,
где µ - коэффициент Пуассона.
Для алюминия коэффициент бокового давления равен ξ=0,51.
Откуда диапазон бокового давления (max, min):
a1
a1
=0,2·P·ξ=0,2·400·0,51=41 МПа.
a1
a1
=0,5=0,2P·ξ=0,2 400·0,51=102 МПа.
3+6
Суммарная скорость перемещения пуансонов 3 и 6 в вертикальном направлении навстречу друг другу составляла ϑ=12,5 мм/с, скорость перемещения бокового пуансона 7 в горизонтальном направлении в сторону от геометрического центра определяется из условия полного заполнения заготовкой образующего канала. Это условие выражается законом сохранения масс за равный промежуток времени Δτ и записывается уравнением:
1
0
3,6
2
1
7
ρ·ΔS·ϑ·Δτ=ρ·ΔS·ϑ·Δτ,
1
1
2
3,6
где  - площадь поперечного сечения заготовки в вертикальном канале, ΔS - площадь поперечного сечения заготовки в горизонтальном канале, ρ - относительная плотность брикета этапа №1, ρ - относительная плотность брикета этапа №2, ϑ - суммарная скорость перемещения пуансонов, расположенных вертикально 3 и 6.
7
Таким образом, скорость перемещения бокового пуансона ϑ в сторону от геометрического центра определялась из условия:
При скорости перемещения бокового пуансона меньше (1) происходит полное заполнение бокового канала, но процесс прессования не устанавливается, так как скорость перемещения бокового пуансона уменьшается. Вследствие этого, истечение заготовки неравномерно, что снижает качество получаемого изделия.
При скорости перемещения бокового пуансона больше (1) происходит неполное заполнение канала и геометрия изделия не соответствует заданной.
7
6
На этапе №3 (фиг. 5) соотношение между скоростью движения бокового пуансона 7 (ϑ) и скоростью движения верхнего пуансона 6 (ϑ) как и в предыдущем случае определяется из условия полного заполнения заготовкой образующего канала. Это условие выражается законом сохранения масс за равный промежуток времени Δτ и записывается уравнением:
2
1
7
3
0
6
ρ·ΔS·ϑ·Δτ=ρ·ΔS·ϑ·Δτ,
1
2
3
где  - площадь поперечного сечения заготовки в вертикальном канале, ΔS - площадь поперечного сечения заготовки в горизонтальном канале, ρ - относительная плотность брикета этапа №2, ρ - относительная плотность брикета этапа №3.
7
Таким образом, скорость перемещения бокового пуансона ϑ в сторону геометрического центра на этапе №3 определялась из условия:
3
6
3
6
На этапе №4 (фиг. 6) при выталкивании прессовки из верхней матрицы скорости перемещения нижнего пуансона 3 и верхнего пуансона 6 отличаются на 5-10%, ϑ=(0,05-0,1)ϑ для проведения подпрессовки извлекаемого изделия. При подходе к срезу верхней кромке матрицы скорости перемещения нижнего пуансона 3 и верхнего пуансона 6 выравниваются ϑ=ϑ.
Получен брикет внешними размерами 20,1×20,1×92,5 мм. Плотность алюминиевого брикета составила 2,695, что составило 99,8% относительно теоретической плотности литого алюминия.