Установка формования заготовок для режущих пластин Российский патент 2022 года по МПК B22F3/02 B30B15/00 B22F5/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для формования заготовок сложнопрофильных сменных многогранных пластин из порошка твердого сплава VHS10 методом одноосного сухого холодного прессования при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний.

Известно устройство для прессования изделий из порошковых материалов из патента РФ №1496149, B30B 11/06, опубл. 20.11.1999.

Устройство для прессования изделий из порошковых материалов, содержащее соединенный с приводом верхний пуансон, установленный на основании нижний полый пуансон, формующий сердечник и смонтированную в обойме матрицу. При этом с целью повышения производительности и надежности путем совмещения технологических операций, оно снабжено двумя стойками с двуплечими рычагами, нажимным фланцем с рукояткой, цилиндрическим штифтом и пружиной, обойма выполнена в виде полого цилиндрического стакана с профильным сквозным пазом на его боковой поверхности и скрепленного с ним резьбовым соединением днища, формующий сердечник выполнен в виде стержня с продольным пазом и установленных в его глухом центральном отверстии пружины и регулировочной гайки, в матрице выполнено сквозное радиальное отверстие, а в верхнем и нижнем пуансонах - сквозные продольные пазы на боковых поверхностях, при этом нажимной фланец установлен в обойме с возможностью взаимодействия с матрицей и его рукоятка размещена в профильном сквозном пазу, пружина смонтирована между матрицей и днищем обоймы, цилиндрический штифт размещен в сквозном радиальном отверстии матрицы и продольных пазах нижнего пуансона и стержня формующего сердечника, стойки закреплены на обоймах, а двуплечие рычаги шарнирно закреплены на стойках с возможностью взаимодействия одним концом с матрицей, а другим - с поверхностью продольного паза верхнего пуансона.

В известном устройстве не предусмотрено использование средств воздействий ультразвуковыми колебаниями на процесс прессования порошков.

Известна установка для получения изделий из порошковых материалов из патента РФ № 185234, B22F 3/14, B22F 3/093, B29C 59/02, опубл. 28.11.2018.

Полезная модель относится к порошковой металлургии, а именно к установкам для получения деталей сложной формы из порошковых материалов, дисперсно-упрочненных материалов методом горячего прессования в восстановительной среде.

Технический результат - повышение качества прессования за счет снижения разницы физико-механических свойств на верхней, боковых и торцевых поверхностях изделий, повышение производительности прессования и стойкости оснастки.

Технический результат достигается тем, что установка для получения изделий из порошковых материалов, содержащая корпус, выполненный с возможностью создания внутри него восстановительной среды, и размещенной в нем пресс-формы для горячего прессования, согласно полезной модели, пресс-форма содержит пуансон, на котором закреплено ультразвуковое кольцо, обеспечивающее подачу к пуансону ультразвуковых колебаний, матрицу, включающую в себя плиту, состоящую из двух полуплит, обогреваемую за счет подачи тока в трубчатые электронагреватели, расположенные на стыке полуплит, и вставку, позволяющую осуществлять формование деталей широкой номенклатуры, с возможностью осуществления контроля температуры её нагрева термопарой, выталкиватели, закрепленные между двумя плитами, одной опорной плитой, воспринимающая нагрузки от сил выталкивания и в исходном положении опёрта на упор, и фиксирующей плитой, при этом корпус снабжен блоком охлаждения, предназначенным для охлаждения заготовок после спекания, состоящий из конвейерной ленты из окалиностойкой проволоки, ведущего шкива, ведомого шкива, медной трубки с непрерывной циркуляцией воды, обвитой вокруг внешней стороны холодильной камеры.

Известная установка предназначена для горячего прессования изделий, т.е. использование ультразвуковых колебаний происходит в установке c иным технологическим процессом, отличным от установки в предлагаемом изобретении.

Известна установка для прессования изделий из порошковых материалов из патента РФ № 2047493, B29C 43/02, B29C 43/56, B28B 3/00, опубл. 10.11.1995.

Использование: при производстве изделий из порошковых материалов методом прессования в вакууме. Сущность изобретения: установка содержит станину, на которой смонтированы пресс с пуансоном, плита на стойках с пресс-формой, имеющей вертикально перемещаемое днище, бункер, дозатор с толкателем, вакуум-камера. Пуансон пресса и дозатор размещены в вакуум-камере. Для выхода готового изделия вакуум-камера снабжена мундштуком. Поперечное сечение мундштуков идентично поперечному сечению изделия.

В известной установке также не предусмотрено воздействие ультразвуковых колебаний для эффективного прессования порошков. Процесс формования изделий происходит в вакууме, который необходимо поддерживать.

Технической задачей изобретения является разработка установки для формования заготовок для режущих пластин.

Техническим результатом изобретения является получение прессованных заготовок равномерной плотности с минимальными внутренними напряжениями при сохранении заданной геометрии, с заданными характеристиками по плотности и средним размером зерна материала.

Указанный технический результат достигается тем, что установка формования заготовок для режущих пластин содержит систему приложения усилия, включающей модульную конструкцию с четырьмя преднагруженными колоннами с верхней и нижней траверсами, между которыми расположена область формования заготовок с матрицей оснастки, бункер для хранения порошка, автоматизированную систему подачи порошка подготовленной навески в матрицу оснастки.

Новизна предлагаемой установки заключается в том, на пуансонах оснастки присутствуют элементы для высокоточного измерения усилия прессования, при этом установка содержит блок ультразвукового воздействия, состоящий из ультразвукового генератора и ультразвукового преобразователя. Блок ультразвукового воздействия в рабочем состоянии подключен к матрице оснастки в процессе прессования. Установка содержит систему перемещения, внутри которой расположен вакуумный манипулятор, в автоматическом режиме извлекающий сформованные заготовки из матрицы оснастки и перемещающий их на паллеты, с одновременным неразрушающим контролем массы и геометрических размеров заготовок, а также блок адаптивного управления, которая осуществляет управление работой всех блоков и систем установки.

В конструкции установки, предусмотрен герметичный корпус для защиты области формования заготовок. Система приложения усилия снабжена системой охлаждения и фильтрации. Блок ультразвукового воздействия снабжен системой автономного охлаждения.

Раскрытие сущности изобретения.

Известно из технического уровня в области прессования порошковых материалов, что одним из эффективных направлений решения указанной задачи является метод сухого (без применения пластификаторов) компактирования порошков, с приложением ультразвукового воздействия к порошковой массе в процессе прессования.

Поэтому в предлагаемой установке присутствует блок ультразвукового воздействия, подключаемый к матрице оснастки системы приложения усилия и обеспечивающий более эффективный процесс прессования заготовок. Воздействие ультразвуковых колебаний обеспечивает более эффективное компактирование порошков за счет снижения межчастичного и пристеночного трения. Для обеспечения заданных характеристик плотности и сохранения геометрической формы формуемых заготовок необходимым условием является обеспечение дополнительного к основному усилия прижима. Это дополнительное усилие прикладывается к заготовке в связи с объемной усадкой при компактировании порошка, возникающей в результате ультразвукового воздействия, и, следовательно, должно обладать возможностью тонкого регулирования, поэтому конструкция установки предусматривает обеспечение дополнительного усилия подпрессовки, т.е. в установке гидравлическое усилие прижима дополнено введением дополнительного электромеханического усилия подпрессовки, либо может быть полностью переведено с гидравлического аппаратного исполнения на электромеханическое.

Поэтому в установке на пуансонах оснастки присутствуют элементы для компенсации их сжатия и высокоточного измерения усилия прессования, что позволяет эффективно оценивать требуемую степень подпрессовки заготовок.

Для снижения риска влияния внешних воздействующих факторов и обеспечения высокой воспроизводимости характеристик формуемых заготовок, в конструкции установки, предусмотрен герметичный корпус для защиты области формования заготовок.

Так как ультразвуковое воздействие обеспечивает разогрев элементов колебательной системы, и может привести к нежелательным тепловым деформациям, в установке также присутствует система охлаждения.

В установке предусмотрена система перемещения заготовок, которая также выполняет операции контроля заготовок. Система перемещения направлена на максимальную автоматизацию подготовительно-заключительных операций процесса формования заготовок, а также процесса контроля сформованных заготовок. Система выполняет следующие функции:

- извлечение сформованной заготовки и ее размещение на устройстве перемещения,

- перемещение заготовки к месту проведения операции неразрушающего контроля,

- неразрушающий контроль заготовки,

- определение годности заготовки по результатам контроля и сортировка по принципу «годен/не годен»,

- формирование партии годных заготовок заданного размера и массы.

Указанные функции выполняются полностью автоматическом режиме с возможностью выполнения операций в непрерывном цикле.

Блок адаптивного управления по результатам операции контроля в автоматическом режиме обеспечивает корректировку параметров процесса прессования с передачей программным способом соответствующих команд в узлы системы приложения усилия, включая корректировку параметров дозирования порошка в системе подачи. Этот блок позволяет обеспечить требуемые характеристики формуемых заготовок с высокой воспроизводимостью и заданной производительностью в автоматическом режиме.

Общий вид предлагаемая установка представлена на фигуре и содержит следующие основные узлы:

- систему приложения усилия (1),

- блок ультразвукового воздействия (2),

- систему перемещения (3),

- блок адаптивного управления (4).

Система приложения усилия (1) предназначена для формования заготовок для режущих пластин. В состав системы входят: пресс (1/1) на основе модульной конструкции с четырьмя колоннами с предварительно наведенными напряжениями, между которыми расположена область формования заготовок с матрицей оснастки (1/2). На пуансонах оснастки встроены элементы для компенсации их сжатия и высокоточного измерения усилия прессования (на фиг. не показаны). Снаружи область формования заготовок ограничена герметичным кожухом (1/3), обеспечивающим защиту оборудования и персонала. Вентилирование и охлаждение области формования осуществляется системой охлаждения и фильтрации (на фиг. не показана). На модульной конструкции размещены: бункер для хранения порошка (1/4), автоматизированная система подачи порошка (1/5) подготовленной навески в матрицу оснастки.

Блок ультразвукового воздействия (2) включает: генератор (на фиг. не показан), производящий ультразвуковые колебания, преобразователь (на фиг не показан) для передачи колебаний к матрице оснастки в процессе прессования и автономная система его охлаждения (на фиг. не показана).

Система перемещения (3) сообщается с областью формирования заготовок через сквозное отверстие (3/1). Снаружи система перемещения закрыта защитным кожухом (3/2), установленным на корпусе. Система перемещения оснащена многокоординатным вакуумным манипулятором (3/3). Манипулятор позволяет в автоматическом режиме извлекать сформованные заготовки из матрицы оснастки и перемещать их на паллеты (3/4). Извлечение паллет с заготовками осуществляется через дверцы (3/5). В случае несоответствия характеристик заготовки заданным, заготовка отбраковывается, а режим прессования корректируется путем подачи команд соответствующим узлам установки.

Управление работой всей установкой как единой системой и адаптивная корректировка технологических параметров процесса, в зависимости от характеристик получаемых заготовок, осуществляется блоком адаптивного управления (4), связанным с блоком управления прессованием, с блоком управления ультразвуковым воздействием, с блоком управления системы неразрушающего контроля. Основными задачами, выполняемыми блоком адаптивного управления, являются: контроль и корректировка параметров прессования заготовок с приложением ультразвукового воздействия (максимальное усилие прессования, скорость приложения усилия, длительность приложения усилия, масса навески, частота ультразвуковых колебаний); контроль и корректировка параметров неразрушающего контроля; система коррекции параметров прессования с ультразвуковым воздействием на основе данных системы неразрушающего контроля.

Элементы блока адаптивного управления (4) установки расположены на лицевой панели и снабжены сенсорным экраном (дисплеем) (на фиг. не изображены). Эргономика средств управления установки и средств отображения информации соответствует требованиям к информационным моделям по ГОСТ 20.39.108 и имеет систему аварийной остановки, цветовую сигнализацию, свидетельствующую о подключении электрооборудования. Знаки безопасности и сигнальные цвета соответствуют требованиям ГОСТ Р 12.4.026-2015. Функция каждой клавиши меняется в зависимости от этапа программы, ее можно определить по изображению и надписи на клавише. Активация указанных функций происходит при нажатии соответствующей клавиши. При помощи сенсорного переключателя может изменяться или подтверждаться выбор параметров. Касанием соответствующих клавиш на сенсорном экране задаются: параметры прессования (максимальное усилие прессования, скорость приложения усилия, длительность приложения усилия, масса навески); параметры ультразвукового воздействия (частота ультразвуковых колебаний); параметры заготовки (масса и геометрические размеры).

Электропитание установки от внешней электрической сети обеспечивается блоком питания, содержащим соответствующие преобразующие и защитные элементы.

Преимущества установки формования заготовок для режущих пластин.

Установка обеспечивает высокую точность воспроизведения заданных геометрических размеров и массы формуемых заготовок для режущих пластин, а также высокую производительность.

Обеспечение заданной массы заготовок осуществляется благодаря системе подачи порошка, включающей в себя бункер хранения предварительно подготовленной порошковой шихты, системы отвешивания порошка и дозатора порошка.

Порошок твердого сплава, в количестве, необходимом для обеспечения требуемой производительности изготовления заготовок, помещается в бункер хранения порошковой шихты, откуда поступает в систему отвешивания порошка в начале каждого цикла процесса формования заготовки. Система отвешивает порошок в количестве, необходимом для формования одной заготовки с точностью до 0,09 г (предельно допустимое значение). Дозатор порошка доставляет отвешенную массу порошка в матрицу оснастки.

Высокая точность воспроизведения геометрических размеров формуемых заготовок в существенной мере зависит от точности величины прилагаемой к оснастке нагрузки при прессовании порошковой шихты, обеспечиваемой прессом системы приложения усилия.

В процессе одноосного сухого холодного прессования порошков существенно возрастает межчастичное и пристеночное трение, что приводит к возникновению градиента плотности в объеме формуемой заготовки и формированию высокого уровня внутренних напряжений, что оказывает негативное влияние на качество изготавливаемых заготовок. Применение в процессе прессования ультразвукового воздействия с заданной амплитудой позволяет достичь равномерного распределения частиц по объему матрицы оснастки и их более плотной упаковки под давлением, что, в свою очередь, приводит к релаксации общего уровня внутренних напряжений и обеспечивает равномерную плотность заготовки. Кроме того, применение ультразвукового воздействия существенно снижает или полностью исключает необходимость введения пластифицирующих добавок в порошковую шихту при компактировании, что также положительно влияет на относительную плотность формуемой заготовки.

Система перемещения, построенная на базе систем автоматизации и неразрушающего контроля, призвана снизить трудоемкость операций путем автоматизированного выявления брака на раннем этапе производства заготовок для режущих пластин.

Результатом выполнения операций формования с применением разработанной установки являются заготовки со следующими характеристиками:

- плотность материала 14,3–14,5 г/см³,

- средний размер зерна материала 0,6–0,8 мкм.

Плотность материала определялась методом гидростатического взвешивания с применением высокоточных аналитических весов. Средний размер зерна определен с помощью растрового электронного микроскопа.

Установка работает следующим образом.

Проверяем готовность к работе системы приложения усилия (1) установки. Задаем частоту сигнала ультразвукового генератора системы ультразвукового воздействия (2) при прессовании. На дисплее блока адаптивного управления (4) выбираем опцию «Режим прессования/выпрессовки» и задаем значения давления прессования, скорости прессования/выпрессовки. Засыпаем пресс-порошок твердого сплава VHS10 в бункер системы подачи порошка. Задаем массу и геометрические параметры заготовок на дисплее блока адаптивного управления (4). Выбираем режим работы «Непрерывная работа». Выбранный режим работы будет отображаться на экране дисплея. Нажимаем кнопку «Старт цикла». Во время работы контролируем наличие пресс-порошка и по необходимости добавляем пресс-порошок в бункер подачи порошка.

Система перемещения, внутри которой расположен вакуумный манипулятор, в автоматическом режиме извлекает сформованные заготовки из системы приложения усилия и перемещает их на паллеты. На паллетах а автоматическом режиме осуществляется контроль массы заготовок с помощью встроенных аналитических весов, и контроль геометрических размеров заготовок с помощью фотокамеры высокого разрешения и системы анализа цифровых изображений и происходит определение годности заготовки по результатам контроля и сортировка по принципу «годен/не годен». Формируем партию годных заготовок заданного размера и массы.

По окончании работы нажимаем кнопку управления установки «Выкл» на панели блока адаптивного управления. На блоке адаптивного управления ставим выключатель с ключом «Система Выкл\Вкл» (на фиг. не указан) в положение «Выкл». Экран дисплея блока адаптивного управления (4) выключится автоматически.

Изобретение предназначено для формования заготовок из порошка методом одноосного сухого холодного прессования при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний. Установка содержит систему приложения усилия, включающую модульную конструкцию с четырьмя преднагруженными колоннами с верхней и нижней траверсами, между которыми расположена область формования заготовок с матрицей оснастки с пуансонами, бункер для хранения порошка, автоматизированную систему подачи порошка подготовленной навески в матрицу оснастки. На пуансонах оснастки встроены элементы для высокоточного измерения усилия прессования, при этом установка содержит блок ультразвукового воздействия, состоящий из ультразвукового генератора и ультразвукового преобразователя. Блок ультразвукового воздействия в рабочем состоянии подключен к матрице оснастки в процессе прессования. Установка содержит систему перемещения, внутри которой расположен вакуумный манипулятор, в автоматическом режиме извлекающий сформованные заготовки из матрицы оснастки и перемещающий их на паллеты, с одновременным неразрушающим контролем массы и геометрических размеров заготовок, а также блок адаптивного управления, которая осуществляет управление работой всех блоков и систем установки. Обеспечивается получение прессованных заготовок равномерной плотности с минимальными внутренними напряжениями при сохранении заданной геометрии, с заданными характеристиками по плотности и средним размером зерна материала. 1 ил.

Установка формования заготовок для режущих пластин, содержащая систему приложения усилия, включающая модульную конструкцию с четырьмя преднагруженными колоннами с верхней и нижней траверсами, между которыми расположена область формования заготовок с матрицей оснастки с пуансонами, бункер для хранения порошка, автоматизированную систему подачи порошка подготовленной навески в матрицу оснастки, отличающаяся тем, что на пуансонах оснастки встроены элементы для измерения усилия прессования, при этом установка содержит:

- блок ультразвукового воздействия, состоящий из ультразвукового генератора и ультразвукового преобразователя, который в рабочем состоянии подключен к матрице оснастки в процессе прессования;

- систему перемещения, внутри которой расположен вакуумный манипулятор, в автоматическом режиме извлекающий сформованные заготовки из матрицы оснастки и перемещающий их на паллеты, с одновременным неразрушающим контролем массы и геометрических размеров заготовок;

- блок адаптивного управления, который осуществляет управление работой всех блоков и систем установки.