УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИВНОЙ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ПРОРАБОТКИ ПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для интенсивной деформационной проработки пластичных материалов с целью выравнивания и измельчения их зеренной структуры, изменения реологических и механических свойств, а также изучения процессов формирования такой структуры и особенностей пластического течения материалов при угловом прессовании. Модель может применяться как с практической целью в металлообработке, так и научной, в частности для моделирования процессов пластического течения материалов с различными механическими свойствами с варьированием внешних условий нагружения.
Методы интенсивной пластической деформации (ИПД) в настоящее время широко используются для проработки материалов с целью измельчения и выравнивания их зеренной структуры [1]. К числу методов, позволяющих обрабатывать достаточно массивные образцы, можно отнести равно-канальное угловое прессование (РКУП). Для получения в прессуемом материале равномерной мелкозернистой структуры наложенная деформация должна быть большой, что достигается многократным повторением операции РКУ прессования. В этой связи, желательно, чтобы перерыв между прессованиями был минимально коротким, а манипуляции с образцом и прессовым инструментом перед повторным прессованием простыми.
В принципе, большую величину деформации методом РКУП можно получить в течение одного прессования, проталкивая образец через пресс-форму, в которой выполнены несколько каналов, последовательно стыкующихся друг с другом под необходимыми углами. Такие схемы РКУП были реализованы [3], но широкого распространения они не нашли. Причин здесь несколько. Во-первых, изготовить такую пресс-форму технически сложно и дорого. Во-вторых, из-за более быстрого деформационного упрочнения передней части образца для продолжения операции прессования требуется все большее давление на пуансон. В результате более мягкий прилегающий к пуансону недеформированный материал начинает вытекать в зазоры между пуансоном и стенками рабочего канала, и дальнейшее РКУП становится невозможным из-за заклинивания инструмента. Аналогичное влияние оказывают также силы контактного трения, возрастающие с увеличением длины каналов.
С учетом сказанного, при РКУП применяют простое устройство с ограниченной длиной каналов, состоящее из цельной матрицы, в которой выполнены два пересекающихся канала равного сечения [4]. В этом случае образец помещают в рабочий канал и выдавливают его пуансоном в расположенный под заданным углом выходной канал. Если после первого прессования, не вынимая образца, повернуть пресс-форму на 90° и к выходному концу приложить давление, то образец из выходного канала будет перетекать обратно в рабочий канал, то есть, будет реализовано повторное РКУП. И такие операции можно повторять многократно, пока не будет достигнута необходимая величина суммарной деформации. В этом случае реализуется так называемый "rotary die" способ РКУП с вращаемой на 90° пресс-формой [3], конструкция которой принята нами за прототип (Фиг.1).
К недостаткам данного устройства следует отнести то, что оно выполнено неразборным, и при его применении возникает проблема извлечения образца из каналов пресс-формы по окончании прессования. Для извлечения образцов каналы в пресс-форме-прототипе сделаны сквозными. Однако они должны быть заглушены в момент прессования, и для удержания заглушек в каналах используются специальные упоры, что значительно усложняет всю конструкцию. При такой конструкции нельзя вытащить образец, если он находится одновременно в обоих каналах, хотя в исследовательских целях это может быть необходимо. Также, при заедании или разрушении пуансона в одном из каналов он не может быть удален простым выталкиванием. Кроме того, при Г-образной конфигурации каналов при прессовании возникает вращающий момент, стремящийся повернуть пресс-форму. И в случае ее закрепления, действие этого момента приводит к тому, что пуансон дополнительно испытывает изгибные нагрузки и перекашивается в рабочем канале. Наконец, пресс-форма-прототип предназначена только для одного вида ИПД-РКУП. Тогда как в процессе обработки материала может возникнуть необходимость подвергнуть его более мягкому виду воздействия типа ковки с переменой оси осаживания (КПО), что невозможно сделать в пресс-форме-прототипе.
Задачей предполагаемой полезной модели является разработка устройства для интенсивной деформационной проработки пластичных материалов путем углового прессования, способной обеспечить осесимметричное распределение нагрузки и достижение большой суммарной величины деформации материала без извлечения образца из каналов между прессованиями, но в случае необходимости, извлечение образца и пуансонов из каналов на любой стадии прессования, а также при сохранении указанных условий обеспечение возможности более мягкого вида прессования с меньшей интенсивностью деформирования.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для интенсивной деформационной проработки пластичных материалов путем углового прессования, представляющее собой матрицу с пересекающимися каналами равного сечения, выполнено разъемной в виде двух симметричных боковин определенной формы, при скреплении которых болтовым соединением в матрице образуются крестообразно пересекающиеся каналы равного сечения.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для интенсивной деформационной проработки пластичных материалов путем углового прессования, представляющее собой матрицу с пересекающимися каналами равного сечения, выполнено разъемной в виде двух боковин определенной формы, при скреплении которых болтовым соединением в матрице образуются Т-образно пересекающиеся каналы равного сечения.
Указанный технический результат достигается также тем, что устройство для интенсивной деформационной проработки пластичных материалов путем углового прессования, представляющее собой матрицу с пересекающимися каналами равного сечения, выполнено разъемной в виде двух симметричных боковин определенной формы, при скреплении которых болтовым соединением в матрице образуются Г-образно пересекающиеся каналы равного сечения.
Предлагаемые варианты устройства представлены на фиг.2 и 3.
Первый вариант устройства представлен на фиг.2а. Матрица выполнена из двух симметричных боковин, форма которой представлена на фиг.2а и соединение которых болтовыми стяжками приводит к образованию двух пересекающихся внутренних каналов.
Второй вариант устройства представлен на фиг.2б. Матрица выполнена из двух несимметричных боковин, формы которых представлены на фиг.2б и соединение которых приводит к образованию Т-образного канала. Этот вариант подходит для осуществления более мягкого вида нагружения типа осадки.
Третий вариант устройства представлен на фиг.2в. Матрица выполнена из двух несимметричных боковин, формы которых представлены на фиг.2в и соединение которых приводит к образованию Г-образного канала. Этот вариант устройства близок к классическому виду пресс-формы для РКУП.
Во всех рассмотренных вариантах используется одна и та же базовая боковина, которая дополняется другой боковиной, что и приводит к изменению конфигурации пересечения каналов.
При любом варианте предлагаемое устройство обеспечивает многократное прессование образца без его удаления из каналов между прессованиями. Кроме того, за счет размещения каналов вдоль осей симметрии в случае вариантов (а) и (б), действующие в них при прессовании силы не вызывают появления вращающего момента пресс-формы, как это наблюдается в прототипе, при этом отпадает необходимость в дополнительном изготовлении заглушек каналов и запирающих их там устройств. Наконец, в случае заклинивания на любом этапе прессования, пресс-форму можно легко разобрать и удалить деформированный образец, застрявший или с исследовательскими целями не полностью продавленный. И поскольку в конструкции боковин отсутствуют канавки, где образец может быть зажат силами упругого последействия, то выемка образца осуществляется без усилий. Данная особенность конструкции может быть весьма полезна при изучении характера пластического течения материала, особенно в случае образцов из мягких материалов, которые могут быть деформированы при удалении их из каналов, что исказит картину течения.
Важным является то, что при равных габаритах пресс-форм обрабатываемые образцы при использовании вариантов (а) и (б) могут быть в два раза длиннее, чем в прототипе.
Применение пресс-формы с несимметричными половинками матрицы по варианту (б), когда пересечение каналов имеет Т-образную форму, реализуется ИПД материала путем его КПО в стесненных условиях. Очень важно, что в этом случае исключается смещение верхней части образца относительно нижней его части, приводящее к дисторсии формы прессуемого образца при обычной ковке из-за локализации деформации в одной макроплоскости. Ковка может происходить в непрерывном режиме, без удаления образца из пресс-формы между прессованиями (осадками), как это наблюдается в применяемых аналогичных устройствах [4].
В случае (б) можно использовать более длинные, чем при обычном КПО образцы, когда их длина L ограничена вероятностью изгибания под нагрузкой вследствие потери механической устойчивости, случающейся при L>2D, где D - поперечный размер образца [5].
Устройство работает следующим образом.
Две симметричные боковины, форма которой представлена на фиг.2а, соединяют с помощью болтов так, что образуется пресс-форма с крестообразно пересекающимися каналами. В вертикальный канал помещают образец и осуществляют его двухстороннее прессование с помощью пуансонов, удвоенная длина которых равна длине данного канала за вычетом толщины образца (высоты поперечного канала). После того, как
внешние торцевые плоскости пуансонов сравняются с гранями пресс-формы, однократное прессование считается выполненным. Образец в результате истечения материала из вертикального (рабочего) канала заполняет горизонтальный канал, то есть, принимает горизонтальное положение. Если необходимо его дальнейшее деформирование, то пресс-форма поворачивают на 90°, и осуществляют последующее прессование пуансонами, отвечающими тем же требованиям, что и предыдущая пара пуансонов. При повторном прессовании материал (образец) выдавливают в исходный канал, толкая перед собой первоначально используемые пуансоны. Таким образом, можно подвергать материал неограниченному числу прессований, не вынимая образец и пуансоны из пресс-формы. В случае если прессовая установка оснащена дополнительно горизонтальным прессом, то многократное прессование осуществляют и без поворотов пресс-формы.
По окончании обработки, если образец полностью расположен в одном из каналов, он легко выталкивается из пресс-формы дополнительным пуансоном длиной равной длине канала. Если образец одновременно находится в двух каналах, то его удаление происходит после разборки пресс-формы.
Для более мягкого вида прессования одну из боковин первой пресс-формы меняют на несимметричную по отношению к оставшейся боковину, имеющую более длинный выступ (фиг.2б). При соединении такой боковины с боковиной на фиг.2а образуется пресс-форма с Т-образным пересечением каналов. Образец помещают в перпендикулярный канал и выдавливают с помощью пуансона в горизонтальный канал. Длина пуансона должна быть равна длине перпендикулярного канала. После того, как верхняя часть пуансона сравняется с верхней гранью пресс-формы, прессование считается законченным. Образец выталкивают из горизонтального канала пресс-формы дополнительным пуансоном. В случае необходимости дальнейшего прессования цикл можно повторять. Между двумя последовательными прессованиями образец может поворачиваться вокруг любой из его осей, позволяя тем самым задавать маршрут прессования.
В случае если маршрут прессования не оговаривается, то многократное прессование можно осуществлять непрерывно, не вынимая образец из пресс-формы. Для этого, после того, как образец будет выдавлен в горизонтальный канал, пресс-форма поворачивается на 90° так, что горизонтальный канал становится вертикально. С помощью двух дополнительных пуансонов равной длины, в сумме равных длине данного канала за вычетом толщины образца, осуществляется выдавливание материала в исходный канал. Повторяя данные операции можно подвергать образец заданному числу
прессований. Удаление образца осуществляется его выталкиванием, или после разборки пресс-формы, в зависимости от его положения в каналах на момент завершения прессования.
Для проведения сравнительных исследований по влиянию конфигурации каналов на характер пластического течения материалов или иных целей можно легко перейти к классическому виду РКУП, для чего боковина на фиг.2а соединяется с боковиной, форма которой отображена на фиг.2в. В этом случае удлиненные выступы боковины на фиг.2в перекрывают вертикальный и горизонтальный каналы с одной стороны так, что при своем пересечении они образуют Г-образную конфигурацию. Сборочные чертежи пресс-форм при различных вариантах (а, б, в) приведены на фиг.3.
Пример 1. Две боковины симметричной формы (фиг.2а) соединялись болтовыми стяжками. В результате образовывались два перпендикулярно пересекающихся канала. Составной образец из пластического материала (фиг.4а) помещался в вертикальный канал и сжимался верхним и нижним пуансоном одновременно. Вид деформированного образца представлен на фиг.4б. Испытанную материалом сдвиговую деформацию γ можно оценить по наклону тонких вставок. Измерения показали, что она в этом случае составляет около 2.5, что больше, чем при обычном РКУП, где γ=2.0.
Пример 2. Боковину на фиг.2а соединяли с боковиной на фиг.2б. Образовался Т-образный канал, в который помещали образец типа на фиг.4а. Прессование осуществляли пуансоном сверху. Полученный в результате образец показан на фиг.4в. Здесь наклон тонких вставок несколько меньше, чем в предыдущем случае. Угол их наклона соответствует деформации сдвигом γ=1.5. Это меньше, чем в случае обычного РКУП, то есть, испытанная образцом деформация была менее жесткой, а вид деформирования подобен деформированию при КПО.
Пример 3. Боковина на фиг. 2а соединялась с боковиной как на фиг.3в. В результате образовался Г-образный канал, характерный для обычного РКУП. Образец с тонкими вставками прессовался пуансоном и выдавливался в горизонтальный канал. Вид образца приведен на фиг.4г. Измеренная по наклону вставок сдвиговая деформация γ=2.0.
Таким образом, показано, что любой из вариантов предлагаемого устройства может быть применен для углового прессования пластичных материалов. В случае крестообразного расположения каналов испытанная материалом за одно прессование деформация больше, чем при обычном РКУП, что выгодно при требовании больших степеней суммарной деформации, поскольку для достижения равной величины требуется меньшее число прессований. В случае Т-образной конфигурации каналов
интенсивность испытанной материалом деформации за одно прессование меньше, чем при обычном РКУП, что может быть полезным при обработке материалов с ограниченной пластичностью для предотвращения разрушения образцов. Эквивалентная величина суммарной деформации достигается за счет незначительного увеличения числа прессований. И, наконец, предлагаемое устройство может быть легко преобразовано к обычному Г-образному виду пресс-формы для РКУП, использование которой может быть полезным при проведении сравнительных исследований роли конфигурации места пересечения каналов и величины интенсивности однократной деформации на структуру и свойства материалов. Кроме того, меняя боковины, один и тот же образец можно подвергать различным видам прессования, тем самым управлять маршрутами пластического течения материала и, следовательно, характером формирующейся деформационной структуры.
Источники информации.
1. R.Z.Valiev, Yu.Estrin, Z.Horita, T.G.Langdon, M.J.Zehetbauer, Y.T.Zhu. Producting bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation // JOM, 2006, April, pp.33-39.
2. B.M.Сегал. А.С. №575892 СССР: МКИ В21С 25/00, 1977.
3. A.Rosochowski, L.Olejnik, M.Richert. Channel configuration effects in 3D-ECAP // Materials science forum, 2006, Vol.503-504, pp.179-184.
4. A.Watazu, I.Shigematsu, A. Ma and al. Severe plastic deformation of commercially pure titanium by Rotary-Die equal channel angular pressing method // Mater. Sci. Forum, 2006, Vol.503-504, pp.717-720.