УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ПЛАСТИН

Полезная модель относится к обработке металлов давлением с использованием интенсивной пластической деформации и предназначена для получения плоских тонкостенных пластин как из сплошных металлов, так и пористых порошковых материалов.
Известно устройство для прессования плоских деталей, состоящее из состыкованных по плоскости скольжения двух полуматриц, каждая из которых имеет сквозное отверстие перпендикулярное общей плоскости скольжения, которые параллельны между собой, а также промежуточный канал, которые образуют единый, общий промежуточный канал. При прессовании пластины полуматрицы сначала перемещают до расположения осей параллельных каналов на одной прямой для образования ими единого канала, затем устанавливают заготовку и прикладывают одновременно с осевыми деформирующими нагрузками к обоим торцам заготовки боковые деформирующие нагрузки, после чего перемещают подвижные полуматрицы в разные стороны, при этом в средней части заготовки возникает очаг пластической деформации с разделением его на два очага и смещением этих очагов к концевым участкам заготовки. Затем снимают осевые деформирующие нагрузки и перемещают подвижные полуматрицы в противоположном направлении до образования единого прямолинейного канала таким образом, чтобы длина промежуточного канала на всех этапах и в каждый отдельный момент прессования была равной длине протяженности зоны между очагами пластической деформации, изменяя соотношения скоростей перемещения пуансонов и полуматриц.
(Патент №2414319 МПК B21J 5/06, В21С 32/00, C22F 1/00, C21D 7/00, В82В 3/00, опубл. 20.03.2011 Бюл. №8).
Недостатком конструктивного оформления устройства заложено в его кинематике, что приводит к неоднородной деформации полуфабриката. Серединная часть деформируемого полуфабриката вследствие конструктивного оформления устройства в процессе деформирования испытывает более растягивающие напряжения, чем сжимающие, в то время как материал заготовки в зоне действия сквозных каналов - напряжения сжатия. Это отражается на снижении качества структуры конечного продукта, которая устраняется последующими технологическими операциями, в том числе и термической обработкой, так как в процессе формирования полуфабриката происходит удаление сквозных каналов друг от друга, появление в серединной части полуфабриката растягивающих напряжений по мере удаления очагов деформации друг от друга.
Известным техническим решением является схема бокового прессования заготовки через матрицу, образованную торцевой плитой трения и калибрующей кромкой контейнера, реализованная в процессах «Конформ» (Англия) и «Линенс» (США) [Akeret R. // Light Metak Age, 1983, p.17-18].
(Схема прессования представлена в книге Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. М, Металлургия. 1988, с. 37, рис. 16 в).
Недостатками представленной схемы прессования являются высокий коэффициент использования металла, большая трудоемкость и энергетические затраты. Полуфабрикат получают в виде ленты с не проработанной структурой материала и дефектными краевыми областями, которые удаляют, при этом указанные отходы металла являются запланированными. Кроме того, при данном способе на этапе прессования невозможно получить заданные, четкие габаритные размеры деталей. Технология, реализующая способ бокового прессования, требует больших энергетических затрат для преодоления реактивного трения на стенках матрицы.
Наиболее близким аналогом является устройство, реализующее способ сдвиговой деформации заготовки в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Выдавливание осуществляют в инструменте с каналами, расположенными параллельно, при этом перемещение материла заготовки в зоне ее нижнего торца происходит со скоростью, определяемой из заданной зависимости. Качество заготовки в продольном и поперечном направлениях обуславливается равномерной деформацией структуры пластическим сдвигом, действие которого происходит одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, совпадающих с направлениями перемещения пуансона и стенок контейнера.
(Патент №2 036 046 МПК D21J 5/00, опубл. 27.05.1995 г. Бюл. №15).
Недостатком устройства, реализующего способ обработки металлов давлением, является невозможность точного дозирования высоты материала заготовки на нижнем пуансоне и недостаточная синхронизация горизонтального перемещения верхнего и нижнего пуансонов с перемещением контейнера, что приводит к снижению качества детали.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение технологических возможности прессового оборудования за счет регулирования высоты детали и синхронизации горизонтального перемещения верхнего пуансона и контейнера, что в свою очередь, приводит к повышению производительности прессового оборудования и позволяет управлять схемой напряженно-деформированного состояния материала заготовки в очагах деформации путем создания в них не только деформаций сдвига, но и дополнительных деформаций растяжения - сжатия, что обеспечивает процесс измельчения зерен путем создания новых дополнительных плоскостей скольжения в кристаллической структуре материала, интенсификацию процесса структурообразования, а также увеличение производительности прессово-штамповочного оборудования, уменьшение трудоемкости изготовления деталей, повышение их качества.
Увеличения производительности оборудования достигается за счет получения внешних габаритных размеров, приближенных к конечной форме детали.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для прессования тонкостенных металлокерамических пластин содержит контейнер, внутри которого установлен нижний пуансон, на который опираются три пластины, а сверху устанавливается верхний пуансон, который беззазорно констатируя с боковыми поверхностями стенок пластин и контейнера, замыкает конструкцию, образуя внутреннюю закрытую матричную полость, нижний и верхний пуансоны имеют возможность вертикального перемещения навстречу друг к другу, а контейнер имеет возможность бокового перемещения, при этом нижний пуансон опирается на клиновое устройство, которое имеет возможность перемещать нижний пуансон вниз с образованием матричной полости прямоугольной формы, нижний пуансон имеет возможность вертикального возвратно поступательного перемещения вверх и вниз, при этом перемещение нижнего пуансона вниз образует матричную полость, одномерно расширяющуюся в одном из горизонтальных направлений, по мере перемещения контейнера в горизонтальной плоскости.
Сущность заявленной полезной модели поясняется схемой кинематического взаимодействия деформирующего инструмента (пуансонов, боковых пластин, стенкой контейнера) сборной матрицы (фиг. 1 - 9), где:
на фигуре. 1 - Схема штампа, вид спереди, поперечный разрез, исходное положение, момент окончания загрузки заготовки в матричную полость, разрез В-В по фиг. 2;
на фигуре 2 - Схема штампа, вид сверху, вид А по фиг. 1;
на фигуре 3 - Схема штампа, вид слева, продольный разрез Б-Б по фиг. 1;
на фигуре 4 - Схема пресс-формы, вид спереди, продольный разрез, момент установки зазора Δ - заданной толщины брикета, осевого послойного сжатия и начала перемещение каретки;
на фигуре 5 - Схема штампа, вид спереди, продольный разрез В-В по фиг. 2;
на фигуре 6 - Схема штампа, вид спереди, продольный разрез В-В по фиг. 2, момент окончания прессования заготовки;
на фигуре 7 - Схема штампа, вид спереди, продольный разрез В-В по фиг. 2, момент перемещения контейнера в крайнее левое положение для освобождения спрессованной заготовки;
на фигуре 8 - Схема штампа, вид спереди, продольный разрез В-В по фиг. 2, момент извлечения заготовки из рабочей полости штампа на плоскость съема;
на фигуре 9 - Схема штампа, вид спереди, продольный разрез В-В по фиг. 2, момент удаления заготовки из зоны формообразования и установки штампа в исходное положение для загрузки заготовки в рабочую полость.
Устройство для прессования тонкостенных металлокерамических пластин содержит нижнюю 1 и верхнюю 2 плиты, связанные между собой направляющими колонками 3, втулками 4 и 5, закрепленными соответственно на верхней 2 и нижней плите 1 (фиг. 1). В нижней плите 1 выполнена полость 6, в которой расположен клиновой механизм 7 с рабочей частью клина 8, верхняя плоскость которого имеет возможность перемещения вверх и вниз на заданное расстояние за счет механизма, например, бокового гидроцилиндра 9. Верхнее положение клина 8 ограничивает фиксатор 10, подпружиненный упругим элементом 11 и зафиксированный верхней крышкой 12. Фиксатор 10, упругий элемент 11 и крышка 12 вмонтированы в держатель 13 нижнего пуансона 14. Держатель 13 позволяет нижнему пуансону 14 подниматься выше рабочей поверхности нижней плиты 1 на расстояние, позволяющее отпрессованной детали 15 выходить из зоны штамповки и свободно перемещаться по рабочей поверхности нижней плиты 1 до склиза 16 при извлечении последней из устройства.
Нижний пуансон 14 в исходном положении, опираясь на клин 8, поддерживает боковую планку 17, установленную в контейнер 18, который имеет возможность продольного перемещения по направляющим 19 нижней плиты 1. Для удержания контейнера 18 использованы накладки 20 (фиг. 3), удерживающие контейнер 18 в равновесии. Механизм перемещения контейнера 18 по направляющим 19 нижней плиты 1 выполнен в виде гидроцилиндра 21 (по чертежу слева), управляемого системой ЧПУ.
На нижней плите 1 сделаны два паза 22 (фиг. 2), в которые вставлены боковые пластины 23, располагающиеся на подпружиненных упругими элементами 24 опорных площадках (выталкивателях) 25.
В контейнере 18 также выполнены два паза (поз. не отмечены), через которые боковые пластины 23 своими внутренними боковыми плоскостями имеют возможность контактировать с нижним пуансоном 14 и верхним пуансоном 26, установленным на верхней плите 2, а наружными плоскостями - с контейнером 18.
Верхний пуансон 26 и, контактирующие с ним по передней плоскости пластины 17 (фиг. 1, 3) и по боковым плоскостям пластины 23, расположенные в пазах контейнера 18, имеют возможность вертикального перемещения, ход которого ограничивается системой регулировки (поз. не отмечено), обеспечивающей толщину отформованной детали 15, равной высоте Δ, за счет хода нижнего пуансона 14 (фиг. 5), что гарантирует заданный уровень высоты детали 15. При этом между верхней плоскостью нижнего пуансона 14 и нижней плоскостью контейнера 18 образуется паз 27, высота стенок которого равна Δ.
К верхнему пуансону 26 приставлен съемник 28, управляемый верхним вертикальным гидроцилиндром 29, который вместе с верхним пуансоном 26, установленным на каретке 30, имеет возможность перемещения в горизонтальном направлении гидроцилиндром 31. Таким образом, съемник 28, контактирующий с верхним пуансоном 26, имеет возможность перемещаться вдоль его вертикальной боковой стенки и вместе с пуансоном 26 совершать в горизонтальной плоскости возвратно поступательные направленные перемещения.
пр
пр
На верхней плите 2 установлена каретка 30 продольной подачи, которая удерживает верхний пуансон 26 от выпадения и передает усилие пресса Р, деформирующее исходную заготовку 32. Каретка 30 прикреплена к верхней плите 2 верхними направляющими 33, обеспечивающими плотный контакт каретки 30 с верхней плитой 2 через ролики 34 (рольганг), способные передавать через каретку 30 на верхний пуансон 26 усилие пресса Р. С правой стороны (по чертежу фиг. 1) каретка 30 контактирует со штоком 35 правого силового гидроцилиндра 36.
При движении верхней плиты вниз съемник 28 контактирует с передней пластиной 17, сначала перемещает ее вниз до контакта с нижним пуансоном 14, затем, по мере перемещения вниз верхнего пуансона 7, фиксирует положение передней пластины 17, путем выборки зазора в верхнем гидроцилиндре, а при перемещении верхнего пуансона вверх отводит переднюю пластину 17 от контакта с формированной в тонкую пластину 15 исходной заготовкой 32, а боковые пластины 23 контактируют с нижним пуансоном 26, расположенным в полости нижней плиты 1.
В свою очередь, нижний пуансон 26 имеет возможность вертикального перемещения за счет клинового механизма 7, закрепленного в нижней плите 1. Клиновой механизм 7 имеет возможность перемещаться в горизонтальном направлении за счет контакта с бобышкой 37, соединенной плунжером 38 гидроцилиндра 39.
Управление работой устройства для прессования осуществляется от стандартной системы числового программного управления. Исполнительные органы устройства связаны между собой системой ЧПУ модели NCT 104/FS (не показана) с целью согласования скоростей горизонтального перемещения контейнера 18 и вертикального перемещения верхнего пуансона 26.
Гидрооборудование устройства для прессования включает в себя гидростанцию типа 3С100 В-РГ1.6.50.5,0 (V=100 л, Р=6,3 МПа, Q=50 л/мин, Nдв=7,5 кВт), регулирующую и управляющую гидроаппаратуру, а также исполнительные механизмы - гидроцилиндры (перемещения шаблона, цангового патрона, перемещения дорна, зажим матриц). Гидростанция снабжена пневмогидравлически аккумулятором, маслоохладителем с воздушным охлаждением, а также предохранительным клапаном, позволяющим осуществлять разгрузку насоса. Места поверхности скольжения трущихся деталей устройства для прессования тонкостенных пластин и полости подшипников периодически заполняются густой смазкой, также поддерживается уровень масла в полостях корпусов редукторов. Модуль управления устройством состоит из системы ЧПУ, приводов, электродвигателей и других устройств электроавтоматики. ЧПУ построено по двухуровневому принципу:
- верхний (оперативный) уровень работает под управлением операционной системы WINDOWS NT/2000/XP, что позволяет наиболее полно использовать преимущества данной системы без привлечения достаточно дорогих программных средств;
- нижний (исполнительный) уровень сосредоточен на задачах реального времени (интерполяции, управлении приводами и другими устройствами электроавтоматики) и управляется ядром реального времени. Система ЧПУ адаптируется к устройству с помощью программы электроавтоматики, разветвленной системы параметров, а также поставки дополнительных программных модулей, учитывающих специфику и тип станка.
Модуль управления (МУ) устройства имеет базовое программно-математическое обеспечение (ПМО) с открытой архитектурой на основе СОМ-технологии. Что позволяет ускорить процесс разработки и модификации ПМО МУ за счет использования уже готовых отработанных решений, а также расширить технологические возможности МУ непосредственно самим заказчиком, не прибегая к услугам разработчика.
Система электрооборудования и ЧПУ устройства для прессования обеспечивают нагрев заготовки, согласованное перемещение исполнительных механизмов при формообразовании и осуществление процесса прессования по заданной программе. Комбинированное применение в конструкции устройства электромеханических и гидроприводов отвечает современным мировым тенденциям в производстве трубогибочного оборудования и позволяет реализовать достоинства обоих видов приводов. Устройство работает следующим образом.
ПЛ
Этап №1 (фиг. 1, 2 и 3). Исходная заготовка 32 в виде сплошного (литой металл) или пористого тела (порошковая заготовка) размещается в замкнутой рабочей полости устройства, образованной нижним пуансоном 14, двумя боковыми пластинами 23, передней пластиной 17 и стенкой контейнера 18. Возможны варианты, при которых заготовку предварительно нагревают до температуры (0,3…0,7)Т путем пропускания электротока.
Этап 2 (фиг. 3, 4). После контакта заготовки 32 с верхним пуансоном 26, боковой гидроцилиндр 9 перемешает клин 8 в сторону от нижнего пуансона 14, при этом последний опускается вниз на заданную величину Δ, равную толщине детали 15, с учетом упругого последействия последней. При этом верхний пуансон 26 проталкивает заготовку 32 до контакта с нижним пуансоном 14, а передняя планка 17 под действием съемника 28 также опускается вниз до контакта с верхней плоскостью нижнего пуансона 14.
Дальнейшее перемещение верхнего пуансона 26 вниз деформирует заготовку 32, которая начинает раздаваться, воздействуя на боковые 23, передние 17 пластины создает на их поверхности условия, при которых сила трения начинает перемещать отмеченные пластины вниз, сжимая удерживающие их упругие элементы 24, что соответствует условию двустороннего прессования, отличающегося благоприятными условиями деформации материала заготовки. Материал заготовки 32 заполняет все полости в зонах стыка пластин 23, 17 и боковой стенки контейнера 18 составной матрицы.
Этап №3 (фиг. 5, 6). При достижении заданного условия всестороннего обжатия проводится перемещение контейнера 18 в горизонтальной плоскости посредством гидроцилиндра 21.
Скорость перемещения контейнера 18 выбирается из условия:
σ
k
n
где ρ - относительная плотность предварительного уплотнения заготовки 32; ρ - относительная плотность конечного изделия 15; ϑ -скорость перемещения верхнего пуансона, устанавливают после предварительной прессовки заготовки.
k
n
Соотношение между скоростью движения стенок контейнера ϑ и скоростью перемещения пуансона ϑ определяется из условия полного заполнения металлом образующегося канала. Это условие выражается законом сохранения масс за равный промежуток времени Δτ и записывается уравнением:
0
где ⋅ΔS - площадь поперечного сечения заготовки; Δτ - рассматриваемый промежуток времени деформирования заготовки.
Скорость перемещения стенок контейнера 18 выбирается из уравнения (1).
В случае, если скорость перемещения контейнера , происходит полное заполнение канала, но процесс прессования не устанавливается, так как скорость перемещения пуансона уменьшается. Вследствие этого истечение металла неравномерно, что снижает качество получаемого изделия.
При скорости перемещения контейнера  происходит неполное заполнение канала и геометрия изделия не соответствует заданной.
р
бок
По приложенному рабочему давлению (Р), определяют боковое давление порошковой смеси в зоне изменения течения материала заготовки (Р) по соотношению:
где ξ - коэффициент бокового давления  - коэффициент Пуассона.
Качественная проработка структуры материала в поперечном направлении обуславливается более равномерным истечением металла в готовом изделии в процессе прессования под воздействием сил трения со стороны стенок 17, 23, контейнера 18, пуансонов 14, 26 и заготовки 32.
После полной выборки полости, образованной нижним пуансоном 14, планками 17, 23 и стенкой контейнера 18, перемещение верхнего пуансона 26 и, следовательно, деформация заготовки 32 прекращается. Производится временная выдержка конечного положения деформирующего инструмента для снятия релаксационных внутренних напряжений детали 15.
Этап №4 (фиг. 6, 7). Перемещаем верхнюю плиту 2 вверх и одновременно вертикальным гидроцилиндром 29 поднимаем съемник 28 и выводим переднюю планку 17 из паза 27.
После чего контейнер 18 гидроцилиндром 21 отводится в крайнее левое (согласно чертежа) положение. Освобождаем деталь 15 от сдавливания нижней плоскостью контейнера 18.
Этап №4 (фиг. 7, 8, 9). Клиновым зажимом 7 под действием бокового гидроцилиндра 9 перемещаем клин 8 в крайнее левое положение (согласно чертежа) и изымаем деталь 15 из паза 27.
Деталь 15 может быть удалена вручную, например пинцетом, либо посредством перемещения контейнера 18 в исходное положение. При этом контейнер перемещает деталь 15 до склиза 16, по которому деталь 15 за счет собственного веса самопроизвольно перемещается в сборный лоток, откуда идет на пункт контроля.
Контейнер 18 возвращается в исходное положение и устройство готово к работе.
Пример работы устройства
Прессование заготовки из алюминиевых гранул.
р
p
бок
В контейнер 18 (фиг. 1) засыпают алюминиевые гранулы, производили предварительное обжатие в пределах 70% от максимального рабочего усилия (Р). Затем брикет нагревали до температуры 400°С путем пропускания электротока (наружные поверхности стенок матрицы изолированы) и прикладывали рабочее давление (Р) равное 200 МПа, боковое давление (Р), определяемое по соотношению (3).
Для алюминия коэффициент бокового давления равен . Откуда боковое давление со стороны алюминиевых гранул будет находиться, согласно соотношению (3) в пределах:
бок
20,4 Мпа ≤Р ≤51 МПа.
n
k
Скорость ϑ перемещения верхнего пуансона 26 в направлении сжатия заготовки составляла 12,5 мм/с, а скорость ϑ перемещения контейнера 18, согласно предварительным расчетам, варьировалась во времени, в соответствие с уравнением (1).
На первом этапе уплотнения пористой заготовки (фиг. 5) при перемещении вниз верхнего пуансона 7 происходит уменьшение объема внутренней замкнутой полости матрицы, в ходе которого изменяется взаимное расположение гранул за счет поворотов и перемещений и, частичного заполнения пустоты, деформирование гранул увеличивается и сглаживается их контактная поверхность, разрушается оксидная пленка, вследствие механических сцеплений. При дальнейшем увеличении давления усиливается влияние межчастичной адгезии, частицы, возможность деформации которых исчерпана, разрушаются, и происходит холодная сварка. Сокращение внутреннего объема сборной матрицы осуществляется до достижения заданных параметров, которые могут быть рассчитаны известным образом либо по объему, либо по давлению. В соответствии с повышением сопротивления порошкового материала датчики управления посылают сигналы на исполнительные органы, связанные с устройствами перемещения пуансонов 14, 26 и двух боковых 23 и передней 17 пластин. При достижении заданного давления прессования распорные усилия воздействуют на сборную матрицу (боковые 23, передняя 17 пластины, задняя стенка контейнера 18) и создают давление, которое перемещает боковые пластины в сторону перемещения верхнего пуансона 26, датчики бокового силового привода 29 срабатывают, и нижний пуансон 14 за счет перемещения клинового механизма 7 опускается вниз клин 8 на заданное расстояние, которое в дальнейшем остается неизменным по высоте, гарантируя стабильность процесса сдвига нижних слоев материала заготовки.
бок
Величину упругих элементов 24 противодавления выбирают из расчета устойчивого контакта внутренних поверхностей пластин с материалом заготовки 32, но не более 1/3 величины осевого рабочего давления. Одновременно к контейнеру 18 прикладывают боковое усилие (Р), величина которого, с одной стороны, не превышает половины произведения величины рабочего усилия и коэффициента бокового давления, с другой, - составляет не менее 0,2 единицы этого произведения.
Боковое перемещение контейнера 18 согласуется с вертикальным перемещением верхнего пуансона 26 при заданном напряжено-деформированном состояние в объеме материала заготовки.
р
бок
р
Вследствие наложения на поверхность порошковой смеси перпендикулярно направленных деформирующих усилий (Р) и реакции противодавления боковой поверхности (Р), на гранях заготовки 32 в процессе ее деформации, возникают тангенциальные силы трения, действующие навстречу друг к другу, в плоскостях, параллельных осевому рабочему усилию (Р).
Устранение рыхлых зон в углах прессовки, возникающих за счет сдвиговых деформаций от действия сил трения в пристеночных зонах, способствуют дополнительному уплотнению периферийных зон материала заготовки и более равномерному распределению плотности по объему, что улучшает качество прессованного изделия. Таким образом, поверхность изделия формируется боковыми гранями сборной матрицы, имеющими возможность перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях (по вертикали и горизонтали), что приводит к устранению пассивного трения на рабочих стенках матрицы, более качественному уплотнению материала заготовки за счет дополнительного сдвига по границам контакта пластин, а также наличия сдвиговых деформаций вследствие раздачи материала заготовки 32. Раздача заготовки 32 происходит вследствие увеличения одного из ее горизонтальных размеров.
После контакта боковой пластины 17 полости 27 со стенкой нижней плиты 1 (фиг. 6) производится временная выдержка, после чего верхнею плиту 2 поднимают наверх, при этом съемник 28 освобождает переднею пластину 17 от контакта с отформованной деталью 15.
Затем, после предварительной временной выдержки (1-2 с), контейнер 18 за счет бокового гидроцилиндра 21 перемещают, согласно фиг. 7, в крайнее левое положение. После чего клиновым механизмом 7 освобождают сборную матрицу от отформованной детали 15, вынося (поднимая) ее на уровень верхней плоскости нижней плиты 1.
При возвращении контейнера 18 в исходное положение, извлечение готовой детали 15 проводят либо вручную пинцетом, либо механическим путем. В последнем случае, перемещаясь, контейнер 18 сдвигает деталь 15 в сторону склиза 16, по которому она, перемещаясь под собственным весом (фиг. 9), попадает в сборный лоток (на фиг. не показан).