ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПРУТКОВ Российский патент 1998 года по МПК B21C23/32 B21C25/00 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в процессе прессования прутков.

Известен классический способ прессования сплошных изделий путем выдавливания пресс-шайбой металла разогретой до температуры прессования и помещенной в контейнер заготовки через очко матрицы Перлин И.Л. и др. Теория прессования металлов. -М.: Металлургия, 1975 [1]. При этом на заключительной стадии прессования в теле прессуемого изделия образуется центральная прессутяжина, иногда глубоко проникающая в тело прессизделия и нарушающая его сплошность. Источником образования центральной прессутяжины является увеличение осевой составляющей скорости истечения металла от периферии к оси в результате уменьшения объема прессуемого металла при значительном приближении пресс-шайбы к обжимающей части пластической зоны [1, стр. 81 и 87]. До ввода пресс-шайбы в обжимающую часть пластической зоны объем ее практически не уменьшается. В нее вводится металла столько, сколько выводится в прессизделие [1, стр. 83].

Поскольку участок прессизделия, в котором имеется прессутяжина, приходится отрезать и направлять на повторную переработку, снижаются выход годного и производительность процесса прессования.

Из существующей практики известно:
1. На образование центральной прессутяжины влияет форма канала матрицы: чем меньше угол наклона этого канала (с учетом той его части, которая образуется его упругой зоной), тем меньше градиент увеличения осевой составляющей скорости течения металла и предельное расстояние между пресс-шайбой и матрицей, при котором начинается образование прессутяжины [1, стр. 87].

2. Значительно уменьшается центральная пруссутяжина при прессовании заготовки с недогретой внутренней осевой зоной, особенно при обильной смазке контейнера и матрицы. При этом отставание периферийных слоев от центральных замедляется [1, стр. 88]. Однако при этом может быть нарушена однородность структуры прессуемого изделия.

3. Изменение формы пресс-шайбы заметного влияния на размеры прессутяжины не оказывает, т. к. оно мало влияет на неравномерность деформации [1, стр. 88].

4. Образованию и увеличению размеров прессутяжин способствует большие силы трения на поверхности контейнера и малые на поверхности пресс-шайбы. Первые способствуют завихрению периферийных слоев, примыкающих к пресс-шайбе, а вторые такое движение задерживают. Смазка контейнера, уменьшающая силы бокового трения, сокращает размеры прессутяжины.

На поверхности пресс-шайб делают мелкозубчатую насечку, препятствующую скольжению металла на пресс-шайбе ]1, стр. 87 - 88]. Кроме того, уменьшению прессутяжины способствует прессование "с рубашкой" [1, стр. 96 - 97]. Однако при этом повышается износ контейнера и количество металла, идущего в отходы.

Известно использование при прессовании конических и плоскоконических матриц [1, стр. 72, 388], SU, 668735, кл. В 21 С 25/00, 25.06.79 - [2], однако замечено, что величина упругой деформации при использовании таких матриц при прочих равных условиях больше, чем у матрицы с острой кромкой.

Известно совместное использование конической матрицы и конической пресс-шайбы (пресс-штемпеля). Так в инструменте для изготовления полых изделий SU, 608580, кл. В 21 С 25/00, 30.05.78 - [3], с целью повышения выхода годного за счет уменьшения прессостатка конусная рабочая поверхность пресс-штемпельной головки в зоне прилегания к прошивной игле выполнена ступенчатой. Однако такой инструмент мало эффективен для прессования прутков.

Целью изобретения является уменьшение величины прессутяжины и увеличение выхода годного при изготовлении прутков.

Указанная цель достигается тем, что в известный инструмент для прессования прутков, содержащий контейнер, размещенную внутри его пресс-шайбу с рабочей поверхностью в виде усеченного конуса, на котором выполнены ступенчатые кольцевые проточки, и установленную на выходе контейнера матрицу с конической заходной частью, внесены следующие конструктивные изменения,
- на рабочем торце пресс-шайбы выполнена мелкозубчатая насечка, препятствующая скольжению истекающего металла по пресс-шайбе;
- ступенчатые кольцевые проточки выполнены с шагом и глубиной, возрастающими от вершины к основанию конуса;
- угол конусности пресс-шайбы равен углу конусности матрицы;
- угол при вершине конуса пресс-шайбы и матрицы определяется величиной:
α = α_т.- β,
где α_т - угол естественного течения нагретого до температуры прессования металла, угловые градусы,
β = 2^°- 30^° .

Кроме того, шаг каждой ступени равен ее глубине и определяется соотношением:
h_n = b_n = (D - d)/2N tg 0,5α - (1 - kn),
где
h_n - шаг ступени, мм;
b_n - глубина ступени, мм;
D - диаметр основания конуса пресс-шайбы, мм;
d - диаметр вершины конуса пресс-шайбы, мм;
N - полное число ступеней;
n - порядковый номер ступени;
α - угол при вершине конуса;
k = 0,05 - 0,4 - определяется опытным путем.

Выполнение на рабочей поверхности пресс-шайбы кольцевых проточек и мелкозубчатой насечки, способствующих уменьшению прессутяжин, известно из источников - 3 и 1, с. 87 - 88.

Однако, только ступенчатое выполнение кольцевых проточек с шагом и глубиной, возрастающими от вершины конуса пресс-шайбы к его основанию, выбор угла при вершине конусов пресс-шайбы и матрицы в пределах α = α_т.- β , выполнение параметров ступенчатых проточек в соответствии с формулой:
b_n = h_n = (D - d)/2N tg 0,5α - (1 - kn)
позволяют, как показали промышленные испытания, или практически полностью исключить прессутяжину из прессуемого изделия, или уменьшить ее более, чем на 50%, в зависимости от геометрических размеров заготовки и готового изделия.

При этом опровергается ранее сделанный вывод о том, что "изменение формы пресс-шайбы не оказывает заметного влияния на размеры прессутяжины".

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о неочевидности предложенного технического решения.

На фиг. 1 представлен общий вид предложенного инструмента для прессования прутков; на фиг. 2 - изображение элемента конструкции (пресс-шайбы).

В контейнере пресса 1 размещена пресс-шайба 2, пресс-штемпелем 3 связанная с горизонтальным прессом (не показан). На выходе контейнера 1 закреплена матрица 4 с конической заходной частью 5 и очком d₁. На рабочем конусе 6 пресс-шайбы 2 выполнены ступенчатые кольцевые проточки 7 переменного шага от h₁ до h_N и глубины от b₁ до b_N. В представленном примере шаг и глубина каждой отдельно взятой проточки равны между собой:
b₁= h₁; b_n= h_n; b_N=h_N, что упрощает изготовление профиля пресс-шайбы на универсальном токарном оборудовании, дает возможность в кратчайшие сроки освоить процесс переделки существующего прессового инструмента в инструмент предложенной конструкции.

Шаг и глубина ступеней возрастают от вершины конуса 6 к его основанию: h_N>h_n>h₁; b_N>b_n>b₁. Изменение геометрических размеров проточек позволяет осуществить процесс выравнивания скорости истечения периферийных и центральных слоев металла на конечной стадии прессования без нарушения сплошности центральной части прутков.

Размеры проточек определяются соотношением:
b_n = h_n = (D - d)/2N tg 0,5α - (1 - kn) ,
где
b_n-глубина n-й проточки, мм;
h_n-шаг n-й проточки, мм;
N - число ступеней;
n - порядковый номер ступени;
D - наружный диаметр пресс-шайбы, мм;
D - диаметр при вершине конуса пресс-шайбы, мм;
α - угол при вершине конуса.

Коэффициент k лежит в пределах 0,05 - 0,4 и определяется опытным путем. На рабочий торец конуса 6 нанесена мелкозубчатая насечка 8, например, в виде гребешков высотой 3,0 мм, улучшающая сцепление пресс-шайбы с торцем прессуемой заготовки (не показана).

Углы при вершине конуса 6 и на заходной части матрицы 4 одинаковы и равны α .

Подобное выполнение инструмента, позволяет удержать в конце прессования истекающую массу металла в фиксированном положении.

Прессование прутка с использованием предложенного инструмента осуществляется по обычной схеме. В контейнер между матрицей и пресс-шайбой укладывается нагретая до температуры прессования заготовка (не показана). Затем под действием усилия P пресс-шайба 2, воздействуя на заготовку, перемещается в направлении усилия P, выдавливая металл заготовки в очко d₁ матрицы 4. Для уменьшения сил трения перед прессованием на внутренней поверхности контейнера 1 и матрицы 4 наносят смазку, например: препарат коллоидно-графитовый водный по ТУ 113-08-48-62-90, при этом ту же смазку наносят на поверхность рабочего конуса 6 и на торец 8 пресс-шайбы 2. Смазка рабочих поверхностей пресс-шайбы облегчает отделение прессостатка (не показан) от пресс-шайбы при разборке инструмента после окончания процесса прессования.

С использованием предложенного инструмента и способа были изготовлены прутки ⊘30 мм, ⊘41 мм, ⊘114 мм из циркониевых сплавов Zr-2,5Nb, Zr-1,0Nb, Zr-1,3Sn-1,0Nb-0,5Fe, из медного сплава M1 и сплава титана ВТ-1,0.

При этом предварительно экспериментальным путем определяли углы естественного течения прессуемых сплавов. Для этого изготавливали заготовки, составленные из двух полуцилиндров с координатной сеткой по диаметральной плоскости разъема. Затем нагревали заготовку до температуры прессования и выдавливали в пруток. По искажениям сетки определяли углы естественного течения прессуемых сплавов Прозоров Л.В. Прессование стали и тугоплавких сплавов. -М.: Машиностроение, 1969. - [4].

Так для циркониевых сплавов Zr - 1,0Nb, Zr - 2,5Nb, Zr - 1,3Sn - 1,0Nb - 0,5Fe - α_т.= 107 - 122^° . Для медного сплава M1 - α_т= 97 - 115^° , для титанового сплава ВT-1,0 -α_т= 110 - 125^°. .

Угол β = 2^° , при использовании в виде смазки для прессового инструмента препарата коллоидно-графитового водного по ТУ 113-08-48-62-90 и медного покрытия, в виде подсмазочного слоя, на заготовках из циркониевых сплавов и титанового сплава ВТ-1.

Коэффициент k определяли опытным путем, как соотношения (σ_B1/σ_B2) или (P₁/P₂) при различных температурах прессования (для циркониевых сплавов Т = 580 - 780^oC, медного сплава M1 - Т = 500 - 650^oC, титанового сплава ВТ-1 Т = 650 - 800^oC), где σ_B1 - предел прочности нагретого до температуры прессования металла заготовки, Мпа; σ_B2 - предел прочности при комнатной температуре металла заготовки, Мпа; P₁ - усилие прессования заготовки, Мпа; P₂ - максимальное усилие пресса, Мпа.

Значение k сплава, например Zr-1,0Nb, при прессовании прутков ⊘30 мм из заготовки ⊘109 мм , равно 0,08. При этом параметры пресс-шайбы, составили: b₁=h₁=1,094, N=16, высота гребешков на основании рабочего конуса пресс-шайбы 2,0 мм. Параметры пресс-шайбы для прессования прутков ⊘114 мм из заготовки ⊘298 мм сплава Zr-1,0Nb, составили: k=0,09, b₁=h₁=1,443, N=32, высота гребешков на основании 3,0 мм. Аналогично рассчитывались параметры пресс-шайб для прессования прутков других типоразмеров.

При прессовании прутков ⊘20 ÷ 50 мм с использованием пресс-шайб по предложенному способу отмечалось практически полное отсутствие прессутяжины. На торцах прутков оставались отпечатки от насечки торцевой поверхности пресс-шайбы или рифленые следы отрыва металла от пресс-шайбы не превышающие 30 мм. Для сравнения - по существующей технологии для циркониевых сплавов, когда используются конусные матрицы и пресс-шайбы, которые имеют гладкие конусную и торцевую поверхности, от прутков ⊘20 ÷ 50 мм отрезается участок с прессутяжиной длиной не менее 300 мм. При прессовании прутков ⊘81 ÷ 114 мм , с использованием предлагаемого способа и инструмента, величина прессутяжины уменьшилась более чем на 50%, по сравнению с существующей технологией прессования.

При этом выход годного продукта при прессовании прутков по предложенному способу увеличился на 3 - 6%, что позволило изменить исходные размеры заготовки под прессование. Например, по существующему способу для прессования прутков ⊘25 мм из сплава Zr-2,5Nb используется заготовка ⊘109 × 232 мм , а по предложенному способу достаточно заготовки ⊘109 × 222 мм , чтобы получить пруток той же длины.

В настоящее время на ОАО "Чепецкий механический завод" идут промышленные испытания предложенного инструмента в массовом производстве прутков.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при прессовании прутков. Изобретение позволяет устранить разность скоростей истечения металла по сечению заготовки в конце процесса прессования. Равномерное истечение металла достигается за счет равенства углов конусности пресс-шайбы и матрицы прессового инструмента. Углы конусности определяются величиной α = α_т-β, где α - угол при вершине конуса, угловые градусы; α_т - угол естественного течения нагретого до температуры прессования металла, угловые градусы; β = 2 - 30°. На конусе пресс-шайбы выполнены ступенчатые кольцевые проточки. Шаг и глубина кольцевых проточек возрастают от вершины к основанию конуса и равны между собой. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Инструмент для прессования прутков, содержащий контейнер, размещенную внутри него пресс-шайбу с рабочей поверхностью в виде усеченного конуса, на котором выполнены ступенчатые кольцевые проточки, и установленную на выходе контейнера матрицу с конической заходной частью, отличающийся тем, что на рабочем торце пресс-шайбы выполнена мелкозубчатая насечка, угол конусности пресс-шайбы равен углу конусности матрицы, ступенчатые кольцевые проточки выполнены с шагом и глубиной, возрастающими от вершины к основанию конуса, а угол при его вершине определяется величиной
α = α_т-β,
где α_т - угол естественного течения нагретого до температуры прессования металла, угловые град.;
β = 2 - 30^o;
α - угол при вершине конуса, угловые град. 2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что шаг каждой ступени равен ее глубине и определяется соотношением
h_n= b_n= (D-d)/2Ntg0,5α-(1-k_·n),
где h_n - шаг ступени, мм;
b_n - глубина ступени, мм;
D - диаметр основания конуса пресс-шайбы, мм;
d - диаметр при вершине конуса пресс-шайбы, мм;
N - полное число ступеней;
n - порядковый номер ступени;
k = 0,05 - 0,4.