Формообразующий инструмент

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении штампов для горячей штамповки, пресс-форм для литья металлов под давлением и другого инструмента, работающего в условиях термоциклирования. Цель изобретения - повышение качества формообразующего инструмента за счет увеличения термической стойкости при работе в условиях термоциклирования. Формообразующий инструмент состоит из слоев материала с различными коэффициентами термического расширения. Слои расположены с последовательно увеличивающимися в направлении от рабочей поверхности коэффициентами термического расширения, обратно пропорциональными максимальной температуре, возникающей в слоях, и конфигурацией, соответствующей линиям изотерм в момент максимальной температуры. Такая конструкция повышает долговечность инструмента за счет снижения уровня термических напряжений. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ц1) 4 В 23 К 20/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4375041/31-27 (22) 10.02.88 (46) 23.10.89. Бюл. le 39 (71) Днепропетровский металлургический институт (72) В.А. Фруль, И.И. 11еняйло и А.Н. Наломенко (53) 621.777.073(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 258531, кл. В 31 В 7/02, 1970. (54) ФОРМООБРАЗУЛЦИИ ИНСТРУИЕНТ (57) Изобретение оТносится к металлургии и может быть использовано при изготовлении штампов для горячей штамповки, пресс-форм дпя литья металлов под давлением и другого инструмента, работающего в условиях термоциклирования. Цель изобретения—

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при изготовлении штампов для горячей штамповки, пресс-hopM для литья металлов под давлением и другого инструмента, работающего в условиях. термоциклирования.

Целью изобретения является повышение качества инструмента эа счет увеличения термостойкости формообразующего инструмента при работе в условиях термоциклирования.

На фиг. 1 показана схема температурного поля; на фиг. 2 — формообразующий инструмент.

В формообразующем инструменте, состоящем из слоев материала с раз- личными коэффициентами термического

„„SU„„1516281 A 1

2 повьппение качества формообразующего инструмента sa счет увеличения термической стойкости при работе в условиях термоциклирования. Формообразующий инструмент состоит из слоев материала с различными коэффициентами термического расширения. Слои расположены с последовательно увеличивающимися в направлении от рабочей поверхности коэффициентами термического расширения, обратно пропорциональными максимальной температуре, возникающей в слоях, и конфигурацией, соответствующей линиям изотерм в момент максимальной температуры. Такая конструкция повьппает долговечность инструмента эа счет снижения уровня термических напряжений. 2 ил. расширения, слои расположены с последовательно увеличивающимся в направлении от рабочей поверхности коэффициентом термического расширения (КТР), обратно пропорциональным максимальной температуре, возникающей в слоях, и конфигурацией, соответствующей линиям изотермы в момент максимальной температуры.

В результате контактирования с нагретым деформируемым материалом в формообразующем инструменте возникает неоднородное температурное поле (фиг. 1). Рабочая поверхность нагрета до наибольших температур (t,), а в направлении от рабочей поверхности температура убывает до

В соответствии с распределением тем1516281 иеератур деформация в монослойном инструменте нарастает от его оси к поверхности. В связи с торможением термического расширения наиболее на5 гретых внешних слоев менее нагретыми внутренними слоями в теле инструмента возникают термические напряже» ния, причем характер их распределения по сечению качественно повторяет распределение температур и деформаций.

Термические напряжения на рабочей поверхности носят циклический характер, достигая максимальных значений при контакте с деформируемым материалом и снижаясь до минимальных значений в режиме охлаждения. Многократные циклические изменения величины напряжений в поверхностном слое способствуют пластической деформации гравюры инструмента или образованию трещин (так называемой сетки разгара).

Применение в конструкции формообразующего инструмента слоев матери- 25 алов с различными KTP позволяет устранить или резко снизить уровень термических напряжений. Материалы в слоях подбирают так, что их КТР уменьшается в направлении от рабочей поверхности и обратно пропорциона.— лен температуре. Количественные значения KTP выбирают такими, чтобы абсолютная деформация и 1 в различных слоях, нагретых до разных температур, была примерно одинакова: где о(— KTP слоя; — температура слоя.

45

В результате разнс рть между деформациями по сечению инструмента снижается, а амплитуда в циклах при нагреве и охлаждении уменьшается.

Распределение температур и положение изотерм в значительной степени определяются конфигурацией инструмента и отличаются в различных его видах. По этой причине рациональным принципом выбора конфигурации слоев

50 может быть только предлагаемое соответствие их конфигурации линиям изо-терм для каждого конкретного инструмента. При термоциклировании положение иэотерм по сечению инструмента изменяется. Для конструирования слоев используют положение изотерм при максимальной температуре на поверхности инструмента в момент достижения наибольших значений.

Многослойность изделий достигают последовательным нанесением шликеров из порошков различных составов. Форма для заливки шпикера имеет поверхность, представляющую зеркальное отражение конфигурации формообразующего инструмента. В результате теплообмейа происходит послойное намораживание шликера на стенки формы. Толщина намороженной корочки больше в местах с усиленным теплоотводом — в углах формы, тонких сечениях и др. Вследствие подчиненности одним и тем же законам теплопередачи характер изотерм в сечении отвердевшего объема термопластичного шликера и в сечении формообразующего инструмента при контакте его с нагретым деформируемьа телом качественно одинаков, т.е. внутренний профиль отвердевшего шпикера, изменяясь по мере увеличения затвердевшего слоя, в точности повторяет профиль изотерм в сечении формообразующего инструмента.

Для осуществления количественного соответствия толщины конструктивных слоев в инструменте и толщины одинаково нагретых слоев добиваются выравнивания этих параметров. С этой целью опытным путем устанавливают темп намораживания корки шпикера и после достижения намораживания тол" щины слоя, равной толщине соответствующего равнопрогретого слоя, остаток незатвердевшего шликера сливают из формы. Эту операцию повторяют для каждого слоя.

Пример. Осуществляют предлагаемое решение применительно к вставке пресс-формы для литья под давлением алюминиевых сплавов (фиг.2).

В соответствии с характером распределения температур в сечении А-А конкретной вставки количество слоев равно четырем, при этом толщина первого слоя с температурой 425 С составляет

5 мм, второго слоя с температурой

375 С 10 мм, третьего слоя с температурой 275ОС 15 мм и половины толщины четвертого слоя с температурой

225 С.

Если вставка выполнена из однородного материала — стали КТР

11 ° 10 / С, то приведенное распределение температур вызывает образование

5 1516281 термических напряжений g, определя- д еиьм по формуле

6=ЕЕ, 5 где Е = cL1/1

d1 - 1,4Dt где E — относительная деформация;

1 - начальный размер;

E — модуль упругости для стали

193000 МПа.

Расчетные значения термических напряжений (без учета частичной их релаксации) составляют для слоев по мере убывания от рабочей поверхности соответственно 920, 812, 595 и 487 МПа. Уровень напряжений в рабочих слоях примерно соответствует пределу текучести стали, что создает условия для разрушения поверхностного слоя инструмента.

Расчет КТР для различных слоев производят, исходя иэ условия равенства расчетных абсолютных деформаций для всех слоев:

g ° t < a(tg» ° lg 4 °

Расчетные значения КТР слоев, исключающие образование термических напряжений во вставке пресс-формы, составляют: a(11 10 - 1/ С; a(=

9 10 1/ С а(3= 6 6 10 1/ С (=

5,8 10 1/ С.

Для получения материалов с заданными КТР используют порошковые композиции, пропитанные жаростойким твердым сплавом Ni-Cr-Si-В, в которых КТР подчиняется закону аддитивности»

Поверхностный рабочий слой прессформы выполняют иэ композиционного материала WC — сплав (Ni-Cr-Si-В), причем КТР материала 5,75 "10 1/ С при объемном содержании карбида вольфрама 60Х и сплава 40Х. Последующие слои выполняют иэ материала (смесь 67X WC + 33X Cr C ) — сплав

Ni-Cr-Si-В (КТР 6,72 -10 1/ С), (смесь ЗЗХ WC + 67X СгэС ) - сплав

Ni-Cr-Si-В (КТР 8,76 10 1/ С) и .Cr>C< — сплав Ni-Cr-Si-В (КТР

11,7;10- i/ С).

Изготовление слоистой пресс-форма осуществляют следующим образом. В пластмассовую промодель прессформы заливают термопластичный шликер порошка карбида вольфрама и выерживают для намораживания в сечении А-А отвердевшего слоя толщиной мм, после чего жидкий остаток сли5 вают. Затем в промодель заливают шликер смеси 67X WC и ЗЗХ Сг С, намораживают слой 10 мм и остаток сливают. Далее заливают шликер смеси поро шков ЗЗХ ИС и 67Х Сг С и наморажива10 ют слой 15 мм. Остальной объем заполняют шликером карбида хрома. Многослойную шликерную заготовку извлекают из промодели и передают на пропитку сплавом Ni-Cr-Si-В, который после

15 прочистки образует слои композиционных материалов заданной конфигурации . и с заданными КТР.

Технико-экономическая эффектив20 ность технического решения состоит в том, что повьппается долговечность формообразующего инструмента, работающего в условиях термоциклирования. Снижаются расходы на изготовле25 ние инструмента и повьппаееся качест.во поверхности формируемых изделий, а также их размерная точность. Устранение или уменьшение короблент44 инструмента исключает или снижает объем доводочных работ по зачистке

30 изделий от облоя, заливов и др. Слоистая конструкция формообразующего инструмента позволяет производить выбор материала рабочего слоя не только иэ соображений обеспечения заданного

35 КТР, но и с целью достижения других важных свойств — твердости и износо" стойкости, коррозионной стойкости, теплопроводности и др. Возможность послойного конструирования инструмен40 та может быть использована также в литьевых пресс-формах для стальных отливок. Развитие этого вида литья сдерживается большой стоимостью прессформ из молибденового сплава. В пред45 лагаемом решении возможно изготовление из молибденового сплава лишь тонкой рабочей поверхности, а остальной части — из недефицитных материалов.

50 Кроме того, применение предлага« емого инструмента снижает затраты на изготовление нужного количества пресс-форм в 2-2,5 раза за счет повышения их стойкости.

Формула изобретения

Формообразующий инструмент для работы в условиях термоциклирования, вы1516281

Составитель И. Николаева

Редактор И. Дербак Техред Л. Олийнык Корректор M. Максимипынец

Заказ 6331/14 Тираж 894 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 полненный иэ слоев материала с различными коэффициентами термического расширения, отличающийся тем, что, с целью повышения качества инструмента за счет увеличения термической стойкости, слои расположены с последовательно увеличивающимися в направлении от рабочей поверхности коэффициентами термического расшире» ния, обратно пропорциональными максимальной температуре, до которой нагреваются слои, а конфигурацию каждого слоя выполняют соответствующей линиям изотерм при максимальной температуре.