УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ С ПРОТИВОДАВЛЕНИЕМ

Полезная модель относится к обработке металлов давлением и может быть использована для обработки труднодеформируемых, малопластичных материалов при получении инструмента с высокими прочностными свойствами.
Известно устройство для гидромеханического прессования, содержащее подвижную опору, смонтированный на ней пуансонодержатель и пуансон с утолщенным хвостовиком, образующие между собой кольцевую полость для рабочей жидкости, неподвижную опору и размещенную внутри него подвижную в осевом направлении матрицу, а также контактирующий с ней по торцу контейнер с выполненной в нем под заготовку полостью, причем указанные полости сообщены между собой посредством каналов, выполненных в матрице (Патент №183705, МПК В21С 23/22. Опуб. 09.06.1968, Бюл. №14).
Недостатком данного устройства является низкая стойкость матриц (менее 5-и деталей) и низкое качество изделий, в особенности при выдавливании труднодеформируемых материалов, поскольку при перемещении матрицы под действием осевого усилия, передаваемого пуансоном через заготовку, смазка из полости под матрицей вытесняется еще до начала пластической деформации, т.е. к моменту начала выдавливания давление смазки в полости недостаточное для попадания в контактную зону очага деформации, что ведет к резкому повышению деформирующего усилия и появлению дефектов в выдавливаемом металле.
Наиболее близким аналогом является устройство для гидромеханического прессования с противодавлением, содержащее контейнер, на внутренней втулке которого выполнены рабочая и вспомогательная камеры, соединяемые каналами, матрицу, установленную в переходном коническом участке втулки, а также плунжер, установленный со стороны рабочей камеры, регулятор давления, закрепленный неподвижно и состыкованный с контейнером со стороны вспомогательной камеры, опорная втулка, установленная под матрицей на торце регулятора давления, при этом внутренняя втулка контейнера выполнена из двух частей, в одной из которых расположена камера, в другой - переходный участок и вспомогательная камера, а каналы, соединяющие рабочую и вспомогательную камеры, выполнены на переходном участке (Патент №1423241 МПК B21J 5/04, опубл. 15.09.1985, Бюл. №34).
д
н
Недостатком данного устройства является нестабильность его работы при получении длинномерных деталей  из труднодеформируемого, хрупкого материала вследствие осевой неустойчивости, где L - длина детали, D - наружный диаметр детали. Кроме того, высокое давление жидкости создается непосредственно в полости заготовки с помощью плунжера, сжимающего жидкость, что ограничивает технологические возможности устройства.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение технологических возможностей устройства, повышение надежности работы и стабилизация технологического процесса изготовления изделий за счет введения дополнительной регулировки давления - специального автономного источника высокого давления жидкости (мультипликатора или насоса высокого давления), что существенно расширяет возможности гидростатической формовки, так как позволяет варьировать давлением в широких пределах.
Совершенствование способов холодного гидромеханического прессования с противодавлением позволяет устранить осадку заготовки в начале прессования, что важно для малопластичных материалов, ресурс пластичности которых может быть полностью использован уже на стадии подпрессовки.
Технологии гидромеханического прессования нацелены на уменьшение сил контактного трения, что позволяет обрабатывать хрупкие материалы с высоким сопротивлением деформации. Применение смази уменьшает до 40% давление деформирования и позволяет проводить деформирование материала ниже температуры рекристаллизации, что особенно важно для химически активных металлов. Деформация в холодном (теплом) состоянии позволяет исключить окисление и газонасыщение металлов, а также снизить потери на угар.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для гидромеханического прессования с противодавлением содержит контейнер, внутри которого расположена рабочая и вспомогательная камеры, имеющие между собой переходной участок, в котором размещена матрица, и соединяющие их сквозные каналы, а также пресс-штемпель, установленный со стороны рабочей камеры, и регулятор жидкости высокого давления, закрепленный неподвижно под матрицей со стороны вспомогательной камеры, которая вместе с рабочей камерой заполнена жидкостью высокого давления, устройство дополнительно снабжено верхней, средней и промежуточной плитами, в верхней плите закрепляется пресс-штемпель, в контейнере - направляющая для центрирования пресс-штемпеля, в средней плите установлено устройство для создания противодавления, состоящее из двух каналов - вертикального и горизонтального, пересекающихся под прямым углом, в вертикальном канале перемещается прессуемая масса, в горизонтальном - планка с коническим отверстием, при перемещении которой между каналами создается переменное по площади проходное отверстие, в котором при прохождении прессуемой массы возникает усилие противодавления, в нижней - сборник отходов для материалов, используемых в качестве противодавления, при этом каналы для прохождения жидкости высокого давления расположены отдельно как в контейнере, так и в средней плите и соединены с гидростанцией трубопроводом высокого давления.
Сущность заявленной полезной модели поясняется схемой кинематического взаимодействия деформирующих инструментов (пресс-штемпеля, - жидкость высокого давления, - регулятор давления, дроссель, - материал противодавления). На фиг. 1 - схема устройства для гидромеханического прессования с противодавлением:
левая сторона устройства - исходное положение;
правая сторона устройства - конечное положение.
Устройство состоит из контейнера 1, содержащего верхнюю рабочую камеру 2, соединенную каналами 3, 4 через трубопровод 5 с нижней рабочей камерой 6, расположенной в средней плите 7, жестко скрепленной болтовым соединением с нижней плитой 8, в которой расположена сквозная полость 9, предназначенная для удаления жидкости высокого давления 10 и отходов материалов для создания противодавления 11 (графит, металл, расплав).
Трубопровод 5 соединяет каналы 3 и 4 рабочих камер 2 и 6, расположенных соответственно в верхней и средней плитах.
Верхняя плита 12 устройства удерживает пресс-штемпель 13 и направляет его в нижнюю рабочую камеру 6 через центрирующую втулку 14, расположенную в контейнере 1. В нижнюю часть контейнера 1 устанавливается матрица 15, которая через проставку 16 контактирует со средней плитой 7, с которой контейнер 1 жестко скреплен прижимной планкой 17.
В средней плите 7 установлен регулятор давления 18 (клапан высокого давления), связанный с нижней рабочей камерой 6, и посредством трубопровода 19 соединен с гидростанцией высокого давления (поз. не обозначена), регулирующей заданное давление в верхней 2 и нижней 6 камер соответственно. Также в средней плите 7 установлено устройство противодавления - дроссель 20, регулирующий проходное сечение воронки, через которое материал 11, создающий условия противодавления (графит, металл, расплав), с возможностью просачиваться, поддерживая заданные, устойчивые силовые параметры дросселя и удаляется в сборник отходов 21.
В исходном положении, в камеру 6 средней плиты 7 на устройство противодавления 20 укладывается (или устанавливается) материал 11, верхний уровень которого должен находиться на уровне границы калибрующего отверстия матрицы 15.
После скрепления прижимной планкой 17 контейнера 1 со средней плитой 7 в матрицу 15 устанавливается исходная заготовка 22 и направляющая 14. Верхняя плита 12 опускается до момента образования заданного зазора между терцем пресс-штемпеля 13 и заготовки 22.
После проведения деформирования заготовка 22 из камеры 2 перемещается в камеру 6 и, с приобретением новых физико-механические свойств в соответствии с изменениями параметров структуры, переходит в разряд полуфабриката или детали 23.
Устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливают на гидравлический пресс П479, усилием 4000 кН.
Нижнюю плиту 8 устройства в сборе со средней плитой 7 крепят на стол пресса, верхнюю плиту 12 - к ползуну пресса.
В нижнюю камеру 6 средней плиты 7 на устройство противодавления 20 вставляют свинцовый стержень 11, используемый в качестве материала для создания противодавления, на который надевают матрицу 15, при этом верхний торец стержня 11 контактирует с калибрирующим пояском матрицы 15.
Матрица 15 контактирует с проставкой 16 и центрируется конической частью, выполненной в нижней части проставки, после чего в матрицу 15 вставляют предназначенную для деформирования заготовку 22. Затем закрепляют контейнер 1 к промежуточной плите прижимными планками 17.
Опускают верхнюю плиту 12 и вводят пресс-штемпель 13 в рабочую камеру 2 контейнера 1 через центрирующую втулку 14 до образования между торцом пресс-штемпеля 13 и торцом заготовки 22 заданной величины зазора Δ (фиг. 1 левая сторона). Герметизация пресс-штемпеля 13 осуществляется шевронными уплотнениями (fabric reinforced rubber), которые укладываются в шевронный пакет (chevron packing seal), состоящий из опорных нажимных колец, уложенных между шевронными манжетами (позицией не обозначено).
Затем от гидростанции по трубопроводу 5 через каналы 3 и 4 подают жидкость высокого давления 10 в верхнюю рабочую камеру 2 контейнера 1 и нижнюю рабочею камеру 6 средней плиты 7, где создают нужный уровень давления.
После этого начинают перемещение верхней плиты 12. Перемещение пресс-штемпеля 13 сначала сжимает рабочую жидкость и создает противодавление в нижней рабочей камере 6 средней плиты 7, а после контакта с торцом заготовки 22 выдавливает ее через калибрующее отверстие матрицы 15, при этом нижним торцом заготовка 22 надавливает на свинцовый стержень 11, выполняющий роль противодавления. Свинцовый стержень 11 редуцируется устройством противодавления 20. Всестороннее давление жидкости 10 исключает продольный изгиб свинцового стержня 11, осуществляющего противодавление. Регулирование усилия противодавления осуществляется путем изменения дросселирующего отверстия устройства противодавления 20.
Дальнейшее перемещение вниз пресс-штемпеля 13 вызывает увеличение давления рабочей жидкости 10 до величины, необходимой для истечения материала заготовки 22 через очко матрицы 15. Избыточное давление регулируется клапаном высокого давления 18.
В момент окончания прессования давление соответствует уровню, установленному на регуляторе 18 и дросселе 20. С помощью управляющих механизмов гидростанции в рабочих камерах 2 и 6 снимают высокое давление, после чего пресс-штемпель 13 отводят назад, извлекают из верхней рабочей камеры 2 контейнера 1. Затем снимают прижимы 17, поднимают контейнер 1 и деталь 23 извлекают из нижней рабочей камеры 6 средней плиты 7.
Использование в качестве рабочей жидкости 10, например, вязких антифрикционных смесей, создает благоприятные условии для проявления гидродинамического эффекта трения, обусловленные высоким гидростатическим давлением рабочей (смазочной) жидкости и высокими скоростями деформации. Это способствует снижению контактного трения в процессе выдавливания, уменьшению неравномерности деформации по сечению выдавливаемого материала, улучшению механических свойств изделий и повышению стойкости матриц.
Пример
Перед прессованием заготовки покрывали консистентной смесью дисульфида молибдена. В качестве рабочей жидкости 10 использовалась смесь глицерина с этиленгликолем. Стабилизация избыточного высокого давления поддерживалась регулятором 18 жидкости, а силовой уровень противодавления - дросселем 20. При окончании работы высокое давление снималось с помощью обратного клапана.
При помощи регулятора давления 18 давление может соответствовать любой заданной величине - до 2000 Мпа.
i
пр
Устройство позволяет осуществить холодное гидромеханическое прессование заготовок диаметром 40 мм с различной степенью деформации ε из высокопрочных инструментальных и тугоплавких порошковых сталей, жаропрочных сплавов при минимальном противодавлении Р~ 350-400 МПа. Результаты экспериментальных работ представлены в таблице.
Профили самой различной конфигурации получают гидромеханическим прессованием с противодавлением с точностью диаметральных размеров, соответствующих 9-10-му квалитетам и качеством поверхности (Ra=0,32-1,25 мкм).
д
н
Использование предлагаемого устройства позволяет повысить степень деформации труднодеформируемого, хрупкого материала при одноразовом выдавливании изделий до 2, с одновременным повышением отношения длины детали к ее поперечному сечению:  где L - длина детали, D - наружный диаметр детали.