УСТРОЙСТВО ДЛЯ СФЕРОДИНАМИЧЕСКОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области обработки материалов давлением и, в частности, к устройствам для получения наноструктурированных деталей машин и механизмов с заданным уровнем эксплуатационных свойств и может быть использована при изготовлении нового поколения определяющих деталей агрегатов из т.н. «умных» материалов, сформированных холодным пластическим деформированием.
7
Известно устройство для сферодинамической нанорезонансной обработки материалов, содержащее пуансон с ложементом из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке на его рабочей поверхности с возможностью перемещения в канавке, матрицу, планетарный деформирующий модуль, толкатель (патент РФ №75969, МПК В21Д 37/12).
В результате анализа известного устройства установлено, что наличие на рабочей поверхности пуансона ложемента не обеспечивает при деформировании заготовки проникновения механизмов волновой пластичности в виде роторов (вихрей) в срединные зоны массива материала, что обусловливает в материале готовой детали наличие «застойных» зон с непроработанной исходной структурой.
7
Известно устройство для сферодинамической нанорезонансной обработки материалов, содержащее пуансон, матрицу, планетарный деформирующий модуль, толкатель с рабочей и боковой поверхностями и ложементом, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке с возможностью перемещения (вращения) (патент РФ №76832, МПК В21Д 37/12) - наиболее близкий аналог.
-9
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что наличие на боковой поверхности толкателя ложемента в определенной мере инициирует возникновение дополнительных вертикальных ударных импульсов со стороны модуля в сторону деформируемой заготовки, однако их интенсивность из-за демпфирования материала модуля недостаточна для проникновения пластических роторов (вихрей) на наноуровень (10 м) срединных слоев материала заготовки в момент «нарушения модулем первоначальных гравитационных условий», т.е. в момент «всплывания модуля».
-9
Технический результат настоящей полезной модели заключается в одновременном повышении прочностных и пластических свойств материала деталей за счет реализации волновой природы пластичности в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10 м) обрабатываемого материала по всему массиву при воздействии выступов боковой поверхности планетарного деформирующего модуля в момент его «всплывания» и импульсного воздействия на заготовку.
Указанный технический результат обеспечивается за счет конструкции устройства. Заявляемое устройство содержит пуансон, матрицу, планетарный деформирующий модуль с рабочей поверхностью, боковой поверхностью, опорной поверхностью, толкатель с рабочей и боковой поверхностями и ложементом, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке, выполненной на боковой поверхности толкателя, с возможностью перемещения (вращения) в канавке. Планетарный деформирующий модуль выполнен с выступами в форме полусферы, расположенными на его боковой поверхности по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом между выступами по длине спирали, определяемым из соотношения:
Е=(2…3)δ
где: Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;
δ - степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм.
Сущность заявляемого устройства поясняется графическим материалом, на котором представлена схема устройства.
На схеме указанными позициями обозначены следующие элементы:
1 - обкатной пуансон;
2 - матрица;
3 - планетарный деформирующий модуль;
4 - выступы модуля;
5 - толкатель;
6 - ложемент;
7 - заготовка;
А - рабочая поверхность планетарного деформирующего модуля;
B - боковая поверхность планетарного деформирующего модуля;
С - опорная поверхность планетарного деформирующего модуля.
Заявляемое устройство состоит из обкатного пуансона 1, матрицы 2 с полостью, в которой размещены последовательно друг на друге планетарный деформирующий модуль 3, выполненный с рабочей поверхностью А, боковой поверхностью В и опорной поверхностью С, толкатель 5 с рабочей и боковой поверхностями и ложементом 6, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке с возможностью вращения. Планетарный деформирующий модуль 3 выполнен с выступами 4 в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, определяемым из соотношения:
Е=(2…3)δ
где: Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;
δ - степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм (Ф. МакКлинток, А. Аргон Деформация и разрушение материалов. Пер. с англ. Под ред. Е.М. Морозова и Б.М. Струнина. М. «Мир», с. 161 и 177).
Устройство работает следующим образом. Заготовку 7 размещают в полости матрицы 2 на планетарном деформирующем модуле 3. Затем производят силовое замыкание перед деформированием путем контакта обкатного пуансона 1 с верхним торцом заготовки 7 и последующей регламентированной ее осадки, после чего производят деформирование заготовки 7 путем обкатывания ее обкатным пуансоном 1, осуществляя регламентированное заполнение металлом заготовки 7 полости матрицы 2.
После силового замыкания устройства обкатной пуансон 1 начинает деформировать заготовку 7; и по мере упрочнения (наклепа) материала заготовки 7 устройство спонтанно (без внешнего воздействия) проходит последовательно следующие стадии: состояние «Динамическая неустойчивость», которое характеризуется возрастающим уровнем вибрации всех его элементов; состояние «Деформационный резонанс», при котором частота колебаний деформируемой заготовки 7 в 2-7 раз превышает частоту колебаний остальных элементов устройства; состояние «Взрывная неустойчивость», при котором планетарный деформирующий модуль 3 совершает нерегламентированные хаотичные разовые т.н. «подскоки»; состояние «нарушение планетарным деформирующим модулем 3 первоначальных гравитационных условий», т.е планетарный деформирующий модуль 3 отрывается от поверхности толкателя 5, который за счет ложемента 6, размещенного в кольцевой канавке на его боковой поверхности, за счет упругости материала сообщает планетарному деформирующему модулю 3 дополнительный силовой импульс, инициирующий нарушение контакта между планетарным деформирующим модулем 3 и поверхностью толкателя 5.
-9
На этой стадии деформирования заготовки 7 приводным обкатным пуансоном 1 и бесприводным планетарным деформирующим модулем 3 в ее материале реализуется энергетика волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10 м) обрабатываемого материала и формирующих в нем феноменологический комплекс структурно-чувствительных характеристик, а именно одновременно высокие пластичность и прочность.
Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами в форме полусферы, расположенными на его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, определяемым из соотношения:
Е=(2…3)δ
где: Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;
δ - степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм,
-9
обусловливает циклический характер его взаимодействия с заготовкой 7, начиная со стадии «Динамическая неустойчивость» деформирующей системы и до окончания ее деформационного резонанса, что позволяет регламентировано определять момент нарушения планетарным деформирующим модулем 3 его первоначальных гравитационных условий (момент т.н. «всплывания» модуля), а также на стадии «Взрывная неустойчивость»  реализовать при деформировании им заготовки 7 энергетические условия реализации механизмов волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10м) обрабатываемого металла и формирующих феноменологический комплекс физико-механических свойств в детали.
Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами 4 в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, по величине меньшим 2δ, не обеспечивает необходимого для реализации волновой природы пластической деформации поля сжимающих напряжений, создаваемого в материале деформируемой планетарным деформирующим модулем 3 заготовки 7 и не обеспечивает «запоминания» материалом заготовки 7 истории его нагружения, что не позволяет создать в деформирующей системе условия для ее перевода в состояние «Динамической неустойчивости».
Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами 4 в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, по величине большим 3δ, повышает вероятность нарушения сплошности материала деформируемой заготовки 7 в зоне контактов с выступами 4 планетарного деформирующего модуля 3 на стадии «Нарушение модулем гравитационных условий» планетарным деформирующим модулем 3 (т.н. «всплывание» модуля).
-9
Таким образом, выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами 4 на его боковой поверхности В обеспечивает при деформировании заготовки 7 реализацию волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10 м) материала заготовки 7.
-9
Определение момента «всплывания» планетарного деформирующего модуля 3 позволяет интенсифицировать двустороннее силовое деформирующее воздействие на заготовку 7 со стороны обкатного пуансона 1 и планетарного деформирующего модуля 3 и тем самым повысить эффективность проникновения пластических роторов (вихрей) на наноуровень (10 м) обрабатываемого материала, увеличивая степень его наноструктурирования.