СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ТРИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК Российский патент 2015 года по МПК B21C23/08 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для прессования триметаллической заготовки, состоящей из трех разнородных материалов.

Известно, что при производстве триметаллических прутков и проволоки на начальном этапе деформируют триметаллическую заготовку прессованием с последующим волочением триметаллической заготовки. При этом в процессе прессования формируются свойства триметаллических прутковых и проволочных изделий.

Известен способ обработки металлов прессованием, заключающийся в выдавливании металла, помещенного в замкнутую полость контейнера, через отверстие конической матрицы (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.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - помещение триметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой 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, включающем помещение триметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой триметаллической заготовки, используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой рассчитывают по формуле

где f - коэффициент трения в зоне деформации;

$$\lambda =\frac{R_0^2}{R_3^2}$$ - вытяжка при прессовании;

R₀ - наружный радиус заготовки до деформации;

R₁ - радиус промежуточного слоя;

R₂ - радиус сердечника;

R₃ - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации;

$${\sigma }_{s1}^c$$ и $${\sigma }_{s2}^c$$ - сопротивление деформации металла сердечника;

$${\sigma }_{s0}^0$$ - усредненное значение сопротивление деформации материала оболочки;

$$\overline{R_1}=\frac{R_1}{R_0}$$ ; $${\overline{R}}_2=\frac{R_2}{R_0}$$ ; $${\overline{R}}_3=\frac{R_3}{R_0}$$ - относительные толщины слоев триметаллической заготовки.

Признаки предполагаемого способа, отличительные от прототипа - использование матрицы, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой составляет:

Способ поясняется чертежом, на котором приведена схема деформации прессованием триметаллической заготовки, состоящей из трех разнородных материалов. На чертеже показаны: 1 - промежуточный слой; 2 - центральная часть заготовки; 3 - оболочка; 4 - прессовый инструмент.

При прессовании триметаллической заготовки коэффициент вытяжки является одним и тем же и для всех трех составляющих частей заготовки. Пластическая деформация в процессах обработки металлов давлением характеризуется степенью деформации. Для центральной части заготовки 2 (фиг.) степень деформации равна [Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. - М.: Металлургия, 1986, 168 с.]:

где $${\alpha }_M^{\text{'}}$$ - угол наклона образующей центральной части заготовки к оси прессования.

Из геометрических соотношений (фиг.) следует:

где R₂ - радиус сердечника; R₀ - наружный радиус заготовки до деформации. Для промежуточного слоя 1 материала степень деформации равна:

где $${\alpha }_M^{\text{'}\text{'}}$$ - угол наклона образующей промежуточного слоя к оси прессования.

Из геометрических соотношений следует:

где R₁ - радиус промежуточного слоя;

R₀ - наружный радиус заготовки.

Тогда средняя степень деформации центральной части заготовки равна:

Для промежуточного слоя: $${\epsilon }_{ср}=\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}\frac{R_1}{R_0}tg{\alpha }_{м}.\text{ (7)}$$

Для оболочки 3: $${\epsilon }_{ср}=\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{м}.\text{ (8)}$$

Для усредненного значения сопротивления деформации сердечника составляющая напряжения, связанная с пластической деформацией сердечника, с учетом соотношений (6) и (7) составит:

Напряжению (9) и (10) соответствует доля полного усилия прессования центральной части сердечника и промежуточного слоя триметаллической заготовки:

где F₁ и F₂ - соответствующие площади.

Аналогичный расчет выполнен для наружной части (оболочки) триметаллической заготовки.

Напряжение прессования оболочки для усредненного значения сопротивления деформации равно:

где $${\sigma }_{s0}^o$$ - усредненное значение сопротивления деформации материала оболочки.

Соответственно доля общего усилия прессования, пошедшего на деформацию, составила:

Для оболочки необходим учет сил трения в рабочей части зоны деформации. Проекция результирующей сил трения на ось прессования запишется в виде:

где R₃ - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации.

В общее среднее напряжение прессования вклад от преодоления сил трения в зоне деформации составил:

$${\sigma }_{м}^{о}={\sigma }_{s0}^{о}\left(\lambda -1\right)f\cdot ctg{\alpha }_{м}/\lambda .\text{ (15)}$$

Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определен из условия минимума полного напряжения прессования, при этом от угла α_м зависят лишь $${\sigma }_{пл}^{с}$$ , $${\sigma }_{пл}^{о}$$ , $${\sigma }_{М}^{о}$$ , поэтому условие минимума усилия прессования получено в виде:

Суммарное напряжение прессования, включающее лишь величины, зависящие от α_м, при этом равно:

После дифференцирования выражения (17) по Tgα_М, преобразований и упрощений получим:

где f - коэффициент трения в зоне деформации;

$$\lambda =\frac{R_0^2}{R_3^2}$$ - вытяжка при прессовании;

R₀ - наружный радиус заготовки до деформации;

R₁ - радиус промежуточного слоя;

R₂ - радиус сердечника;

R₃ - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации;

$${\sigma }_{s1}^{с}$$ и $${\sigma }_{s2}^c$$ - сопротивление деформации металла сердечника;

$${\sigma }_{s0}^0$$ - усредненное значение сопротивление деформации материала оболочки;

$$\overline{R_1}=\frac{R_1}{R_0}$$ ; $${\overline{R}}_2=\frac{R_2}{R_0}$$ ; $${\overline{R}}_3=\frac{R_3}{R_0}$$ - относительные толщины слоев триметаллической заготовки.

Соотношение (18) обеспечивает минимальное значение усилия прессования и минимальную энергоемкость процесса прессования. При снижении усилия прессования появляется возможность повышения обжатий при прессовании, применения менее мощного технологического оборудования. При этом повышается износостойкость матриц и качество поверхности прессуемых изделий.

Пример конкретной реализации.

В качестве примера рассмотрим прессование сверхпроводниковой триметаллической сборной заготовки. Прессовали сборную триметаллическую заготовку, состоящую из сверхпроводящего ниобиевого промежуточного слоя, медной оболочки и медного сердечника, соотношение $$\overline{R_1}=0,5$$ ; $$\overline{R_2}=0,25$$ с вытяжкой λ=13, при этом $$\frac{{\sigma }_{s1}^c}{{\sigma }_{s0}^o}=0,5$$ . Для прессования применили стандартную матрицу с α_м=80°. Для приведенного сопротивления деформации напряжение прессования составило 5,17 МПа.

В соответствии с формулой (18) оптимальным углом наклона образующей рабочего канала матрицы оказался угол, равный 56°, которому соответствует напряжение прессования σ_пр=2,94 МПа.

Таким образом, оптимизация угла наклона образующей рабочего канала матрицы привело к снижению напряжения прессования на 2,23 МПа, что составляет 43,1%.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для прессования триметаллической заготовки, состоящей из трех разнородных материалов. Способ включает помещение триметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой триметаллической заготовки. Снижение усилия прессования и энергоемкости процесса прессования обеспечивается за счет того, что используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой регламентируется математической зависимостью, позволяющей повысить единичные обжатия, стойкость технологического инструмента и качество поверхности прессуемых изделий. 1 ил., 1 пр.

Способ прессования триметаллических заготовок, включающий помещение триметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой триметаллической заготовки, отличающийся тем, что используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой рассчитывают по формуле
,
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
- вытяжка при прессовании;
R₀ - наружный радиус заготовки до деформации;
R₁ - радиус промежуточного слоя;
R₂ - радиус сердечника;
R₃ - радиус наружной поверхности триметаллической заготовки после деформации;
и - сопротивление деформации металла промежуточного слоя и сердечника;
- усредненное значение сопротивление деформации материала оболочки;
; ; - относительные толщины слоев триметаллической заготовки.