СПОСОБ ГИДРОПРЕССОВАНИЯ ТОЧНЫХ ПРОФИЛЕЙ ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B21J5/04 

Изобретение относится к обработке материалов давлением, в частности к способам гидропрессования (гидроэкструзии) точных профилей.

Изобретение может быть использовано для изготовления профилей, имеющих поперечное сечение прямоугольной, овальной, треугольной и других более сложных форм, из сплавов цветных и благородных металлов, которые находят применение в электрических машинах, средствах связи, приборах и в бытовой технике. В настоящее время на ряде предприятий по обработке цветных металлов возникают задачи по изготовлению, в частности, высокоточных прямоугольных профилей весом до 5 10 кг из платины, серебра и других дорогих металлов и сплавов. Эти профили должны иметь наряду с заданной точностью размеров по сечению высокую чистоту поверхности и при обработке сохранять химический состав в пределах технических условий, т.е. не допускается загрязнение поверхности, которое возможно при горячей обработке давлением.

В настоящее время известны различные способы решения подобных задач. Так, в цветной металлургии профили из цветных металлов (алюминия, меди, титана и других) изготавливают методами горячего прессования круглых литых заготовок с последующими операциями прокатки и волочения. Такие технологии применяются лишь при изготовлении значительных объемов продукции (десятки и сотни тонн профилей), в случае же малых объемов продукции затраты оказываются слишком высоки и процесс экономически не эффективен.

Основные недостатки этой технологии.

1. Большие затраты энергии на нагрев металла.

2. Необходимость использования нескольких видов сложного оборудования (нагревательное устройство, пресс, прокатный стан, волочильные станы).

3. Высокая цикличность производства, связанная с наладкой нескольких видов оборудования.

4. Возможность загрязнения прецизионных сплавов при обработке.

При малых объемах профильных изделий из благородных металлов и их сплавов на заводах применяют технологию изготовления изделий, включающую следующие операции: отливку круглой заготовки, горячую ковку профиля и механическую обработку поковки для получения необходимой точности размеров и чистоты поверхности.

Такая технология имеет следующие недостатки.

1. Низкая производительность и высокая энергоемкость процесса.

2. Большой расход металла в стружку при механообработке.

3. Значительные безвозвратные потери дорогостоящего материала.

Известен способ изготовления точных профилей из круглой заготовки метод гидропрессования (гидроэкструзии), который описан в литературе [1] Этот процесс позволяет получить точные профили без нагрева заготовок и без трения поверхности заготовки о стенки контейнера. Однако использование подобных схем гидропрессования, описанных в вышеуказанном источнике [1] вызывает значительные технические трудности при попытках создания полунепрерывного процесса деформации по схеме "заготовка за заготовкой". Кроме того, из-за значительного изменения объема жидкостей при высоких давлениях в процессе деформации возможны ускорение движения заготовки, а в конце процесса даже ее "выстрел". Для предотвращения этих отрицательных явлений необходимо применять ряд мер, существенно усложняющих технологию гидропрессования.

Известны также более совершенные методы гидромеханического прессования, сочетающие высокое гидростатическое давление с механическим усилием. При их использовании обеспечивается полное управление движением заготовки и изделия в процессе деформации и, следовательно, можно реализовать полунепрерывный производительный процесс по схеме "заготовка за заготовкой".

Ряд схем гидромеханического прессования описан в литературе [2]
Однако для реализации подобных технологий необходимо специализированное прессовое оборудование с двумя независимыми приводами ползуна и пресс-штемпеля. Такое оборудование является очень дорогим и редко имеется в наличии на предприятиях по обработке цветных металлов.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ гидромеханического прессования точных профилей из сплавов цветных и благородных металлов, включающий установку заготовки в контейнер и ее деформацию на заданную длину, сброс давления жидкости, установку следующей заготовки, ее деформацию на заданную длину с приложением к задним торцам заготовок усилия, составляющего 10 15% от общего усилия деформации [3]
Устройство для осуществления способа состоит из контейнера, пуансона, матрицы с уплотнениями, заготовки и деталей крепления контейнера и пуансона к столу и ползуну пресса.

Контейнер имеет канал ступенчатой формы. В ступени меньшего диаметра размещены уплотнения пуансона, в ступени большего диаметра установлена матрица с уплотнениями и заготовка. Перед началом деформации заготовку устанавливают в матрицу и уплотняют, затем в контейнер заливают рабочую жидкость. Объем заливаемой в контейнер жидкости выбирают таким, чтобы обеспечить создание определенного давления жидкости, недостаточного для начала процесса деформации и дозированного механического усилия на задний торец заготовки. При опускании пуансона происходит сжатие жидкости до давлений, обеспечивающих боковой подпор и предотвращающих осаживание заготовки. В момент касания пуансоном заднего торца заготовки и его дальнейшего опускания давление жидкости больше не возрастает, так как диаметр заготовки равен диаметру пуансона. В то же время, благодаря приложению дополнительного механического усилия к заднему торцу заготовки, начинается процесс деформации и движение заготовки происходит со скоростью перемещения пуансона. Следовательно, обеспечивается движение заготовки без ускорений и рывков и достигается возможность остановки ее в заданной точке с высокой точностью. При этом величина механического усилия, приложенного к заднему торцу последующей заготовки, составляет 10 15% от общего усилия. Это обосновано тем, что при механическом усилии менее 10% от общего не обеспечивается полное управление процессом деформации, т.е. точная остановка заготовки в контейнере без разгонов и рывков. При величине механического усилия более 15% от общего возможно искривление длинных заготовок с отношением высоты к диаметру более 10 (L/D>10). Количество заливаемой жидкости определяется расчетным и экспериментальным путями и зависит от степени деформации материала заготовки и его механических свойств. Продольное напряжение σ_zz, возникающее в заготовке под действием механического усилия пуансона S, определяется выражением:

где f площадь заготовки (см²). Напряжение σ_zz не может превышать значения давления жидкости в контейнере P на величину σ_s, где σ предел текучести материала заготовки (МПа). На практике s_zz≈ (1,1-1,15)P, при таких значениях σ_zz исключаются изгиб и осадка заготовок и обеспечивается полное управление движением заготовки. Если в нижнюю ступень контейнера установить направляющую втулку, то можно обеспечить полунепрерывный процесс гидромеханического прессования по схеме "заготовка за заготовкой". В этом случае после деформации первой заготовки на заданную длину и ее остановки в заданной точке давление жидкости в контейнере сбрасывают до атмосферного за счет подъема пуансона в верхнюю исходную позицию. Затем в нижний канал контейнера загружают вторую заготовку и при создании давления жидкости и касания пуансоном заднего торца второй заготовки обеспечивают плотное прижатие верхнего торца первой заготовки с нижним торцом второй заготовки. В этот момент обе заготовки движутся в контейнере и совместно проходят конический участок и калибрующий поясок матрицы. При такой схеме деформации предотвращается "выстрел" и потеря жидкости в момент покидания первой заготовкой матрицы. Таким образом, обеспечивается полунепрерывный производительный процесс по схеме "заготовка за заготовкой".

Эта технология обеспечивает эффективные технико-экономические показатели при получении из круглых заготовок прутков, шестигранников и шлицевых профилей с отношением длины изделия к диаметру описанной окружности в пределах L/D 5.20. Однако этот известный метод имеет ограниченные функциональные возможности и его использование для изготовления профилей с L/D 1,5.5 не эффективно, особенно для массивных коротких профилей прямоугольного, овального и треугольного поперечного сечения. При изготовлении таких изделий с использованием известной технологии выявляются следующие недостатки.

1. Изделие (прямоугольный профиль), полученное гидромеханической экструзией из круглой заготовки, имеет на заднем конце участок значительной длины, у которого форма поперечного сечения искажена и не соответствует заданной, так называемая "утяжина". Этот участок при изготовлении из профиля готовой детали необходимо удалять в отход отрезкой.

2. Кроме того, этот известный метод имеет следующий существенный недостаток, а именно, устройство для его осуществления может использоваться только для одного типоразмера заготовки, так как пуансон и заготовка должны иметь одинаковые диаметры, следовательно, для изготовления деталей других типоразмеров необходимо изготавливать и другое устройство.

3. При осуществлении полунепрерывного процесса гидропрессования по схеме "заготовка за заготовкой" форма первого изделия, покинувшего матрицу, отличается от формы второго и последующих изделий. Наряду с наличием на заднем конце профиля "утяжины" появляется также участок и в передней части профиля с искаженной формой поперечного сечения. Таким образом, использование данного известного способа гидропрессования для получения прямоугольных, овальных и других профилей по схеме "заготовка за заготовкой" сопровождается повышенным расходом металла. Так, для изготовления готовой детали из профиля необходимо отрезать в отход уже два участка с искаженной формой сечения передний и задний. Это значительно снижает коэффициент использования металла (КИМ ≈ 0,6 0,7) и в целом эффективность процесса, что особенно невыгодно при изготовлении массивных профилей с отношением L/D 1,5 5 из дорогостоящих сплавов на основе серебра, платины, золота и других.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание новой технологии изготовления точных профилей из сплавов цветных и благородных металлов методом гидромеханического прессования.

Технический результат, достигаемый изобретением, определяется повышением коэффициента использования дорогостоящего металла при деформации, получением изделий с высокой чистотой поверхности и заданной прямолинейностью без нарушения химического состава сплава в процессе обработки.

Это достигается тем, что в способе гидропрессования точных профилей из сплавов цветных и благородных металлов, включающем установку заготовки в контейнер, деформацию ее на заданную длину, сброс давления, установку следующей заготовки и ее деформацию с приложением к задним торцам заготовок усилия, величина которого составляет 10 15% от общего усилия деформации, - согласно изобретению между торцами каждой предыдущей и последующей заготовок устанавливают шайбу из пластичного материала, имеющего сопротивление сдвигу в 2 3 раза меньше, чем у материала заготовки (например, парафин или что-либо подобное), и деформацию осуществляют через две последовательно установленные матрицы рабочую и калибрующую, причем степень обжатия материала в калибрующей матрице составляет 3 5%
Использование шайбы из пластичного недорогого материала типа парафина, имеющего величину сопротивления сдвигу в 2 3 раза меньшую, чем у деформируемого материала, которая устанавливается между задним торцем частично деформированной предыдущей заготовки и передним торцем последующей, обеспечивает значительное снижение расхода дорогостоящего металла при изготовлении точных профилей по схеме полунепрерывного процесса "заготовка за заготовкой".

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа гидропрессования точных профилей.

На фиг. 2 показана форма заднего участка деформированного профиля в момент, когда он находится в конической воронке матрицы. На этой же фигуре показаны линии тока центральных и периферийных слоев материала при гидропрессовании прямоугольного профиля из круглой заготовки.

На фиг. 3 слева показан этап деформации, при котором первая деформированная заготовка остановлена своим верхним участком в конической воронке матрицы, а вторая заготовка уплотнена на конической воронке матрицы.

На фиг. 3 справа показан момент, при котором начинается совместное движение заготовок, и форма переднего конца второй заготовки на этом этапе деформации. Обе позиции на фиг. 3 соответствуют процессу гидропрессования, взятому за прототип.

На фиг. 4 слева показан этап деформации в момент, при котором первая деформированная заготовка остановлена своим верхним участком в конической воронке матрицы, а над ней в матрице установлена шайба из пластичного материала.

На фиг. 4 справа показан момент деформации, когда начинается совместное движение двух заготовок и пластичной шайбы, здесь же показаны: форма пластичной шайбы после деформации и форма переднего участка второй заготовки, размещенной в конусе матрицы.

Устройство для реализации способа состоит из плунжера 1 с наружным уплотнением 2, заглушки 3 с уплотнением, полого штока 4, контейнера 5, неподвижного уплотнения 6, гайки 7, направляющей втулки 8, шпилек 9, гаек 10, фланца 11, шайбы специальной 12, полого винта 13, рабочей матрицы 14, бандажа 15, калибрующей матрицы 16, нижней плиты 17, опоры 18, линзы 19, пластичной шайбы 20 и рабочей жидкости 21. Позициями 22 и 23 обозначены заготовки.

Плунжер 1 с помощью переходных деталей (на фиг. 1 не показаны) скреплен с ползуном гидравлического пресса. Нижняя плита 17 скреплена со столом гидравлического пресса. Контейнер 5, бандаж 15, калибрующая матрица 16 и опора 18 стянуты с нижней плитой 17 с помощью фланца 11 шпильками 9 и гайками 10. Калибрующая матрица 16 имеет заходные фаски по периметру и прямоугольный канал, размеры которого меньше, чем размеры калибрующего пояска рабочей матрицы 14. Разность размеров выбирается из условия обеспечения дополнительной деформации профиля по площадям сечения в диапазоне обжатий ψ₁= 3-5 % , где

F₁ площадь сечения профиля, выходящего из рабочей матрицы;
F₂ площадь сечения профиля, выходящего из калибрующей матрицы.

Калибрующая матрица 16 плотно устанавливается в расточку опоры 18, в эту же расточку устанавливается двухслойный бандаж 15. В коническую расточку двухслойного бандажа с натягом запрессована рабочая матрица 14, имеющая конический заходной участок и калибрующий поясок прямоугольного сечения. При установке калибрующей матрицы 16 и бандажа 15 в опору 18 обеспечивается строгое совпадение прямоугольных участков обеих матриц с помощью прямоугольных калибров. Центральная вставка бандажа 15 и контейнер 5 центрируются с помощью направляющей втулки 8. Герметизация контейнера 5 и центральной вставки бандажа 15 осуществляется с помощью линзы 19 из мягкой стали, которая обжимается на конических участках контейнера и вставки бандажа при затягивании шпилек 9 гайками 10.

Плунжер 1 имеет канал ступенчатой формы. В верхней части этого канала размещена резьбовая заглушка 3, снабженная уплотнением. Заглушка 3 герметизирует верхнюю часть ступенчатого канала плунжера. В канале размещен шток 4, имеющий небольшое центральное отверстие с резьбой в нижней части. Шток 4 в верхней части имеет головку с уплотнением, а в нижней части хвостовик. Диаметр головки больше, чем диаметр хвостовика штока. Хвостовик штока герметизируется в нижней части канала плунжера с помощью неподвижного уплотнения 6, которое фиксируется гайкой 7. С помощью полого винта 13 к хвостовику штока 4 крепится специальная шайба-проставка 12.

Способ осуществляется следующим образом. В исходной позиции плунжер 1 выдвинут из канала контейнера 5 и в зазор между плунжером и контейнером подается заготовка, которая устанавливается на коническую поверхность матрицы 14. Затем в канал контейнера устанавливается пластичная шайба 20 и вторая заготовка. После чего заливается рабочая жидкость 21 до уровня, показанного на фиг. 1 слева. Уровень жидкости и ее объем определяются расчетом с учетом сжимаемости жидкостей при высоких давлениях. Шток 4 в исходной позиции устройства вдвинут в канал плунжера 1 и касается своей головкой торца заглушки 3. На головке штока 4 имеются радиальные пазы, обеспечивающие проход жидкости даже при касании головкой штока торца заглушки 3. Если опускать плунжер 1 в канал контейнера 5 до момента касания торцем плунжера столба жидкости и создания небольшого давления P₁ 5 10 МПа, то начнется выдвижение штока 4 из канала плунжера 1 до момента касания шайбой 12 верхнего торца заготовки 23. Шток 4 будет выдвигаться из канала плунжера 1 со скоростью V₂ большей, чем скорость движения плунжера V₁ во столько раз, во сколько раз площадь головки штока 4 меньше площади плунжера 1. После касания шайбой 12 торца заготовки 23 движение штока 4 прекращается, а плунжер 1 будет опускаться и сжимать столб жидкости. В канале контейнера 5 начнет расти давление жидкости, которое будет возрастать и в канале плунжера 1. В результате возникнет гидромеханическое усилие S, передаваемое штоком на торец заготовки, которое определяется по формуле
S= π/4•/(D²-d²)•p•k, (3)
где D диаметр головки поршня (см);
d диаметр нижней части поршня (см);
p давление жидкости в контейнере (МПа);
k коэффициент, учитывающий трение в уплотнениях (k 0,9 0,95).

На заготовки 22 и 23 будут действовать давление жидкости и продольное напряжение σ_zz, определяемое по формуле (2). Таким образом, деформация заготовок будет осуществляться методом гидромеханической экструзии, который обеспечивает полное управление движением заготовки и плотное прижатие заготовок друг к другу в процессе формоизменения.

Способ гидропрессования точных профилей из сплавов цветных и благородных металлов (по фиг. 1) осуществляется следующим образом. После загрузки заготовок 22, 23 и пластичной шайбы 20 ползун пресса движется вниз и в канале контейнера 5 создается давление жидкости и гидромеханическое усилие штока 4. В момент, когда их совместное значение достигает необходимой величины, начинается деформация заготовки 22 в матрице 14 и опускание в канале контейнера 5 заготовки 23 и шайбы 20. По мере деформации часть профиля поступает в калибрующую матрицу 16 и там проходит дополнительную деформацию по сечению. Когда перемещение заготовок в канале контейнера 5 достигнет заданной величины "H", первая заготовка принимает форму, показанную на фиг. 1 справа. Пластичная шайба 20 заполняет утяжину, а передний конец заготовки 23 принимает форму, показанную на фиг. 1 справа. Так как скорость движения заготовок 22 и 23 больше, чем скорость перемещения плунжера 1 V₁ в соответствии с разницей их площадей, то шток 4 выдвигается из канала плунжера 1 и занимает положение, показанное на фиг. 1 справа. В этот момент плунжер 1 поднимают в верхнюю исходную позицию, в канал контейнера загружают новую шайбу 20 из пластичного материала и очередную заготовку 23, затем цикл деформации повторяют. В конце второго цикла деформации готовое изделие с деформированной шайбой 20 покидает калибрующую матрицу 16 и опускается в тару, установленную ниже стола пресса. В этот же момент вторая деформированная заготовка 23 займет положение и примет форму, показанную на фиг. 1 справа. Готовые профили, полученные из заготовок и последующих заготовок, будут иметь форму, обеспечивающую удаление в отход значительно меньше материала, чем у изделий, получаемых известным способом гидропрессования.

В экспериментах по деформации прямоугольных профилей из серебра, меди и платины в качестве материала пластичной шайбы использовались смеси парафина с чешуйчатым графитом в объемных соотношениях 1 1, 1 2, 1 1,5. Шайбу изготавливали из смеси либо литьем в форму, либо прессованием в форме. Отметим, что деформирование шайбы легко удаляются из утяжин готовых профилей и их материал снова используется для изготовления новых шайб.

Экспериментально изучено, что дополнительное обжатие профиля в калибрующей матрице, установленной непосредственно за основной рабочей матрицей, позволяет получить высокую чистоту поверхности по 7 9 классу и заданную прямолинейность профиля. При осуществлении деформации только в одной рабочей матрице (способ-прототип) не обеспечивается такого качества изделий.

Пример реализации способа.

На прессе ДБ-2240 усилием 1000 тонн силы было установлено устройство, конструкция которого описана выше. Диаметр канала контейнера составлял ⊘ 80 мм, наружный диаметр двухслойного контейнера 240 мм. Прямоугольная рабочая матрица имела угол захода конуса 12^o и калибрующий прямоугольный поясок с размерами: 65х41 мм, калибрующая матрица имела заходные фаски по периметру 2х15^o и прямоугольный канал с размерами 64х40 мм. Литые цилиндрические заготовки из меди, серебра и платины протачивались по диаметру на размер ⊘ 78 мм с целью устранения поверхностных дефектов. Степень деформации при гидропрессовании круглой заготовки диаметром ⊘ 78 мм в прямоугольный профиль 64х40 мм составляла ψ₂= 0,465, вытяжка λ= 1,866 Длина цилиндрической заготовки составляла 120 мм, длина готового профиля 201 мм. Степень деформации материала в калибрующей матрице ψ₁≈ 4 % Давление жидкости в контейнере для серебра составляло 200 МПа, для платины 180 МПа, для меди 300 МПа. В качестве смазки использовали вапор, рабочая жидкость индустриальное масло. Усилие пресса при деформации составляло 120 140 тонн силы.

Использовались пластичные шайбы из смеси парафина и чешуйчатого графита в объемном соотношении 1 2. Коэффициент использования металла при изготовлении двух готовых прямоугольных деталей длиной 97 98 мм составлял с учетом отрезки в отход и ширины реза 3 мм 0,85. Гидромеханическое усилие штока с диаметром головки ⊘ 40 мм и диаметром хвостовика ⊘ 30 мм при давлении жидкости 300 МПа составляет ≈ 17 тонн силы, продольное напряжение σ_zz= 4 кг/мм² В результате опытов было получено изделие с заданной точностью размеров по сечению, прямолинейностью 0,05 0,08 мм на длине 200 мм и чистотой поверхности по восьмому классу.

Таким образом, как показали испытания, предложенный способ гидропрессования точных профилей обеспечивает достижение следующего технического результата:
1. Повышение коэффициента использования металла на 20 30%
2. Высокую степень чистоты поверхности профиля и заданную прямолинейность, а следовательно, ликвидацию операций правки и чистовой обработки поверхности.

По сравнению с применяемыми в заводской практике технологиями ковки и механической обработки способ обеспечивает следующие преимущества:
1. Повышение производительности в 5 10 раз.

2. Снижение расхода металла на 30 45% и уменьшение безвозвратных потерь дорогостоящих материалов при переплавке и сборе отходов.

3. Сокращение трудоемкости процесса в 1,5 2 раза.

4. Снижение затрат энергии на 30 50%

Сущность: способ гидропрессования точных профилей включает установку заготовки в контейнер, деформацию ее на заданную длину, сброс давления, установку последующей заготовки и ее деформацию на заданную длину с приложением к задним торцам заготовок механического усилия. Между торцами заготовок устанавливается специальная шайба из пластичного материала, имеющего сопротивление сдвигу в 2 - 3 раза меньшее, чем у материала заготовки, и деформацию осуществляют через две последовательно установленные матрицы, рабочую и калибрующую. 4 ил.

Способ гидропрессования точных профилей из сплавов цветных и благородных металлов, включающий установку заготовки в контейнер и ее деформацию на заданную длину, сброс давления жидкости, установку следующей заготовки, ее деформацию на заданную длину с приложением к задним торцам заготовок усилия, составляющего 10 15% от общего усилия деформации, отличающийся тем, что между задним торцом первой заготовки и передним торцом последующей заготовки устанавливают шайбу из пластичного материала, например парафина, имеющего сопротивление сдвигу в 2 3 раза меньше, чем у материала заготовок, и деформацию осуществляют через две последовательно установленные матрицы, рабочую и калибрующую, причем степень обжатия материала в калибрующей матрице составляет 3 5%