СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
METHOD OF PRESSING OF BIMETALLIC BILLETS

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для прессования биметаллической заготовки, состоящей из разнородных материалов.
Известно, что при производстве биметаллических прутков и проволоки на начальном этапе деформируют биметаллическую заготовку прессованием с последующим волочением биметаллической заготовки. При этом в процессе прессования формируются свойства биметаллических прутковых и проволочных изделий.
Известен способ обработки металлов прессованием, включающий помещение биметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой заготовки (см. Суворов И.К. Обработка металлов давлением: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1980, с. 289).
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что процесс прессования имеет повышенные усилия и энергоемкость, вследствие того, что известный способ не учитывает геометрические характеристики конической матрицы и технологические особенности процесса прессования. Данный способ принят в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения - помещение биметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой биметаллической заготовки.
Задачей изобретения является снижение усилия прессования и энергоемкости процесса прессования за счет оптимизации угла наклона образующей конического канала матрицы. Снижение усилия прессования обеспечит повышение единичных обжатий, стойкости технологического инструмента и качества поверхности прессуемых изделий.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе прессования биметаллических заготовок, включающем помещение биметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой биметаллической заготовки, используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой рассчитывают по формуле:
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>м</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1.97</mn><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>λ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> (1)</mtext></mrow>
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
λ=
- вытяжка при прессовании;
0
1
R и R - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;
c
R - радиус сердечника;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup></mrow>
- сопротивление деформации металла сердечника;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow>
- сопротивление деформации металла оболочки.
Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - использование матрицы, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой определяется вышеприведенной математической зависимостью (1).
Способ поясняется чертежом, на котором приведена схема деформации прессованием биметаллической заготовки, состоящей из сердечника и оболочки. На чертеже показаны: 1 - матрица; 2 - оболочка; 3 - сердечник.
При прессовании биметаллической заготовки коэффициент вытяжки является одним и тем же и для сердечника, и для оболочки. Пластическая деформация в процессах обработки металлов давлением характеризуется степенью деформации. Для центральной части (сердечника) степень деформации равна [Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. - М.: Металлургия, 1986, 168 с]:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msubsup><mi>α</mi><mi>M</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> (2)</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>M</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
где
- угол наклона образующей сердечника к оси прессования;
λ - вытяжка.
Из геометрических соотношений (см. чертеж) следует:
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><msubsup><mi>α</mi><mi>M</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msubsup><mi>α</mi><mi>M</mi><mrow /></msubsup><mo>,</mo><mtext> (3)</mtext></mrow>
c
где R - радиус сердечника;
0
R - наружный радиус заготовки.
С учетом соотношения (3) степень деформации сердечника равна:
<mrow><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub><mo>.</mo><mtext> (4)</mtext></mrow>
Для усредненного значения сопротивления деформации сердечника составляющая напряжения, связанная с пластической деформацией сердечника, с учетом соотношения (4) составит:
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mi>с</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><mtext> (5)</mtext></mrow>
Напряжению (5) соответствует доля полного усилия прессования центральной части (сердечника) биметаллической заготовки [Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия. 1975, 448 с.]:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mi>с</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub><mtext> (6)</mtext></mrow>
c
где F - площадь сердечника на входе в очаг деформации. После подстановки из соотношения (5) получим:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><msubsup><mi>R</mi><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> (7)</mtext></mrow>
Аналогичный расчет выполнен для наружной части (оболочки) биметаллической заготовки.
Напряжение прессования оболочки для усредненного значения степени деформации (4) составит:
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>л</mi></mrow><mi>о</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mo stretchy="false">(</mo><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> (8)</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow>
где
- значение сопротивления деформации материала оболочки.
Соответственно доля общего усилия прессования, пошедшего на деформацию оболочки, равна:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> (9)</mtext></mrow>
При пластической деформации биметаллической заготовки в общее усилие прессования входит составляющая, учитывающая действие сил трения в очаге деформации. Результирующая сил трения при этом равна:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>,</mo><mtext> (10)</mtext></mrow>
k
где F - площадь контакта биметаллической заготовки и рабочей поверхности матрицы, которая представляет собой боковую поверхность усеченного конуса.
Из геометрических соотношений следует:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> (11)</mtext></mrow>
1
где R - наружный радиус биметаллической заготовки на выходе из очага деформации.
С учетом соотношения (11) составляющая, связанная с преодолением сил трения в очаге деформации, равна:
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>.</mo><mtext> (12)</mtext></mrow>
В общее напряжение прессования вклад от преодоления сил трения в очаге деформации составит:
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>м</mi><mi>о</mi></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub><mo>/</mo><mi>λ</mi><mo>.</mo><mtext>  (13)</mtext></mrow>
м
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mi>с</mi></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mi>о</mi></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msubsup><mi>σ</mi><mi>M</mi><mi>o</mi></msubsup><mo>,</mo></mrow>
Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определяется из условия минимума полного напряжения прессования. При этом α зависит лишь от
поэтому условие минимума усилия
прессования определим из условия:
<mrow><mfrac><mo>∂</mo><mrow><mo>∂</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>м</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mi>с</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow><mi>о</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>М</mi><mi>о</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0.</mn><mtext> (14)</mtext></mrow>
м
Суммарное напряжение прессования, включающее величины, зависящие от α, равно:
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>c</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ln</mi><mi>λ</mi><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mrow><mn>3</mn><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup><mfrac><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><msub><mi>α</mi><mi>M</mi></msub><mo>.</mo><mtext> (15)</mtext></mrow>
M
Подстановки соотношений (5), (8), (13) в (14) дифференцирования по tgα, преобразований и упрощений получим:
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mi>м</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>т</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1.97</mn><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>λ</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>λ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- вытяжка при прессовании;
0
1
R и R - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;
c
R - радиус сердечника;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup></mrow>
- сопротивление деформации металла сердечника;
<mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow>
- сопротивление деформации металла оболочки.
Пример конкретной реализации.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>c</mi></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>σ</mi><mi>s</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
м
Прессовали сборную биметаллическую заготовку, состоящую из ниобиевого сердечника и медной оболочки, соотношение
составляло 0,5 с вытяжкой λ=10, при этом
=1,5. Для прессования применили стандартную матрицу с α=40°. Для приведенного сопротивления деформации напряжение прессования составило 359,03 МПа.
пр
В соответствии с формулой (1) оптимальным углом наклона образующей конического канала матрицы оказался угол равный 30,4°, которому соответствует напряжение прессования σ=340,7 МПа.
Таким образом, оптимизация угла наклона образующей конического канала матрицы привела к снижению напряжения прессования на 18,3 МПа, что составляет 5,1%.
Предлагаемый способ прессования биметаллических заготовок позволяет выбрать оптимальный угол наклона образующей конического канала матрицы к оси прессования. В результате обеспечивается минимальное значение усилия прессования, минимальная энергоемкость процесса прессования. При снижении усилия прессования появляется возможность повышения обжатий при прессовании, применения менее энергоемкого технологического оборудования. При этом повышается износостойкость матриц и качество поверхности прессуемых изделий.