УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК B23K20/08 

Изобретение относится к технике обработки материалов давлением, в частности к устройствам для импульсной обработки материалов.

Известны устройства для импульсной обработки материалов (штамповка листовых металлов, прессование порошков, сварка и т.п.).

Известны устройства для взрывной обработки материалов, в которых деформация материалов осуществляется давлением ударной волны, образующейся при подрыве заряда взрывчатого вещества.

Однако время действия силы на материал составляет несколько десятков микросекунд, а время, необходимое для деформации материала, исчисляется миллисекундами. В результате усилие на материал действует лишь в начальный момент времени, после чего материал движется до соприкосновения с матрицей под действием сообщенной ему кинетической энергии.

По мере распространения ударной волны ее скорость и создаваемое усилие (давление) быстро затухают. Поэтому в устройствах, использующих взрывную обработку материалов (например, при штамповке металлов), не всегда удается получить глубокую вытяжку материала за один цикл воздействия, а приходится применять многократное воздействие, что ограничивает эксплуатационные возможности этих устройств. Кроме того, использование взрывчатого вещества ужесточает требования по безопасному проведению работ.

Известно устройство для импульсной обработки материалов, содержащее основание, установленный на основании ствол, размещенные в нем матрицу и пуансон, выполненный в виде поршня, а также поршень-боек, образующий предпоршневую полость ствола, и камеру давления, сообщенную через клапан с предпоршневой полостью ствола.

Недостаток этого устройства заключается в отсутствии возможности регулирования длительности импульсного воздействия на материал в пределах достаточных для получения заданной деформации за один цикл силового воздействия, что объясняется следующим образом. Скорости деформации и скорости перемещения материала при импульсном воздействии различны для различных материалов и зависят от свойств материала, его термообработки и от амплитудно-временных параметров импульса силы (давления). Поэтому для обеспечения заданной деформации материала при однократном воздействии импульса давления необходимо обеспечить воспроизведение импульса определенной длительности.

В данном устройстве длительность воздействия не превышает 1 мс, в то время как для деформации ряда материалов необходимо обеспечить воспроизведение длительности импульса, значительно (например, в несколько раз) превышающей указанную величину.

Кроме того, в известном устройстве матрицу устанавливают на неподвижном основании (фундаменте). Поэтому в момент завершения процесса деформации материала возможен отскок (нарушение контакта с материалом) пуансона от сформированной детали.

Быстрая разгрузка материала детали может приводить к порче этой детали за счет эффекта, называемого отколом. Если кинетическая энергия бойка окажется больше энергии, необходимой для заданной деформации материала, то произойдет наклеп материала (при штамповке) в части поверхности детали, что не всегда соответствует технологическим условиям выполнения операции по формообразованию детали.

Это устройство характеризуется низкой точностью регулирования кинетической энергии, необходимой для деформации материала и получения заданной величины наклепа (динамического упрочнения), если он необходим. В случае прессования деталей из порошков эта неточность в части сообщаемой материалу кинетической энергии приводит к неоднородности металлургической структуры детали.

Задача изобретения создание устройства для импульсной обработки материалов с расширенными возможностями регулирования длительности импульса силового воздействия на материал и повышение точности сообщаемой ему кинетической энергии.

Технический результат выражается в достижении заданной деформации материала за один цикл силового воздействия при заданной величине его динамического упрочения, в расширении номенклатуры обрабатываемых материалов, уменьшении дефектов изготавливаемых деталей.

Задача решается тем, что устройство для импульсной обработки материалов снабжено демпфирующим устройством, расположенным между поршнем-бойком и пуансоном, при этом в стенке ствола в конце участка разгона поршня-бойка выполнены окна для сброса газа. Демпфирующее устройство выполнено в виде воздушной емкости, расположенной между пуансоном и окнами для сброса газа.

В стволе со стороны матрицы размещен набор чередующихся демпферов и инерционных масс, выполненных в виде поршня.

На чертеже изображено устройство для импульсной обработки материалов.

Устройство содержит основание 1, установленный на основании ствол 2, размещенные в стволе поршень-боек 3, пуансон 4, матрицу 5, размещенный между ними материал. В данном случае материал представляет собой металлический порошок 6.

Пуансон 4 выполнен в виде поршня. В стенке ствола 2 в конце участка разгона поршня-бойка 3 выполнены окна 7 для сброса газа. Устройство содержит камеру 8 давления, сообщенную через клапан 9 с предпоршневой полостью 10 ствола, образованной поршнем-бойком 3. Камера 8 давления соединена с источником давления (не показан) через отверстие 11. Устройство содержит демпфирующее устройство, расположенное между поршнем-бойком 3 и пуансоном 4.

Демпфирующее устройство выполнено в виде воздушной емкости 1, расположенной между пуансоном 4 и окнами 7 для сброса газа.

В стволе 2 со стороны матрицы 5 размещен набор чередующихся демпфирующих прокладок 13 и инерционных масс 14, выполненных в виде поршня. В стволе 2 выполнено загрузочное окно 15.

Устройство для импульсной обработки материалов работает следующим образом.

В ствол 2 устанавливается поршень-боек 3. В матрицу 5 помещается материал (в данном случае металлический порошок 6). Через загрузочное окно 15 в ствол в определенное положение устанавливаются пуансон 4 и матрица 5. Контактно с матрицей устанавливается часть демпфирующих прокладок 13 и инерционных масс 14, оставшаяся часть прокладок 13 и масс 14 размещается в стволе 2 определенным образом.

При установке в ствол 2 пуансона 4 образуется воздушная емкость 12. Через отверстие 11 от источника давления подается сжатый газ (воздух) в камеру 8 давления. При достижении в камере 8 определенного давления отверстие 11 перекрывается.

При срабатывании клапана 9 сжатый воздух из камеры 8 поступает в предпоршневую полость 10. Давление воздуха, действуя на поршень-боек 3, разгоняет его в стволе 2. При прохождении окон 7 поршень-боек 3 достигает максимальной скорости. После прохождения поршнем 3 окон 7 он начинает сжимать воздух в емкости 12 (в исходном состоянии воздух в емкости 12 находится под атмосферным давлением). Давление воздуха на пуансон 4 увеличивается и достигает максимальной величины в момент максимального сближения поршня 3 и пуансона 4.

В этот момент времени формируется пиковое значение усилия, действующего на пуансон. При достижении силы определенной величины пуансон начинает сжимать порошок 6, помещенный в матрицу 5. Сжатие происходит до тех пор, пока не будет получена деталь (таблетка) заданной плотности и структуры. Избыток кинетической энергии преобразуется в перемещение системы пуансон-матрица в стволе 2 с определенной конечной скоростью, которая затем гасится за счет сил трения и присоединения установленных в стволе дополнительных демпфирующих прокладок 13 и инерционных масс 14. После обмена энергией с пуансоном-материалом-матрицей поршень 3 останавливается. После остановки системы пуансон-материал-матрица сформированная деталь извлекается из матрицы.

Связь ствола с атмосферой посредством окон 7 повышает стабильность и точность воспроизведения скорости поршня-бойка.

Аналогично может быть выполнена операция штамповки листового метала с целью получения деталей различной конфигурации, например полусферы.

Длительность импульса давления, действующего на материал, регулируется за счет изменения объема воздушной емкости 12, в данном случае за счет установки исходного положения пуансона 4 в стволе 2 на различном расстоянии относительно окон 7 для сброса газа.

Возможность отскока пуансона в цикле обработки материала уменьшается за счет подвижности системы пуансон-матрица в направлении силового воздействия, в результате уменьшается возможность дефектов изготавливаемых деталей и обеспечивается создание динамического упрочнения материала нужной величины.

В результате использования изобретения достигается возможность получения заданной деформации материала за один цикл силового воздействия при заданной величине его динамического упрочнения, расширяется номенклатура обрабатываемых материалов, уменьшаются дефекты изготавливаемых деталей, расширяются эксплуатационные возможности взрывной обработки материалов и других известных устройств для импульсной обработки материалов.

Использование: для обработки материалов импульсным давлением с использованием пневматических ударных устройств. Сущность изобретения: устройство для импульсной обработки материалов, содержащее основание, установленный на основании ствол, размещенные в нем матрицу и пуансон, выполненный в виде поршня, а также поршень-боек, образующий предпоршневую полость ствола, и камеру давления, сообщенную через клапан с предпоршневой полостью ствола, снабжено демпфирующим устройством, расположенным между поршнем-бойком и пуансоном. При этом в стенке ствола в конце участка разгона поршня-бойка выполнены окна для сброса газа. Демпфирующее устройство выполнено в виде воздушной емкости, расположенной между пуансоном и окнами для сброса газа. В стволе со стороны матрицы размещен набор чередующихся демпферов и инерционных масс, выполненных в виде поршня. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее основание, установленный на основании ствол, размещенные в нем матрицу и пуансон, выполненный в виде поршня, а также поршень-боек, образующий предпоршневую полость ствола, и камеру давления, сообщенную через клапан с предпоршневой полостью ствола, отличающееся тем, что оно снабжено демпфирующим устройством, расположенным между поршнем-бойком и пуансоном, при этом в стенке ствола в конце участка разгона поршня-бойка выполнены окна для сброса газа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что демпфирующее устройство выполнено в виде воздушной емкости, расположенной между пуансоном и окнами для сброса газа. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в стволе со стороны матрицы размещен набор чередующихся демпферов и инерционных масс, выполненных в виде поршня.