Способ прессования биметаллических заготовок

Изобретение предназначено для снижения усилия прессования и энергоемкости процесса прессования биметаллических прутков и проволоки из биметаллических заготовок. Способ включает помещение биметаллической заготовки, состоящей из сердечника и оболочки, в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы с приложением усилия к заднему торцу прессуемой биметаллической заготовки. Снижение усилия прессования за счет оптимизации угла наклона образующей конического канала матрицы обеспечивается посредством того, что используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой регламентирован математической зависимостью, 1 ил.

 

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

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

Известен способ обработки металлов прессованием, включающий помещение биметаллической заготовки в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через отверстие конической матрицы приложением усилия к заднему торцу прессуемой заготовки (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, вследствие того, что известный способ не учитывает геометрические характеристики конической матрицы и технологические особенности процесса прессования. Данный способ принят в качестве прототипа.

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

$${\alpha }_{м}^{опт}=arctg\left[1.97\sqrt{\frac{f\left(\lambda -1\right)}{\lambda \left(1-{\left(\frac{R_c}{R_0}\right)}^2+\frac{{\sigma }_s^c}{{\sigma }_s^o}\cdot \frac{R_c}{R_o}\right)}}\right].\text{ (1)}$$

где f - коэффициент трения в зоне деформации;

λ= $$R_0^2/R_1^2$$ - вытяжка при прессовании;

R₀ и R₁ - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;

R_c - радиус сердечника;

$${\sigma }_s^c$$ - сопротивление деформации металла сердечника;

$${\sigma }_s^o$$ - сопротивление деформации металла оболочки.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - использование матрицы, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой определяется вышеприведенной математической зависимостью (1).

Способ поясняется чертежом, на котором приведена схема деформации прессованием биметаллической заготовки, состоящей из сердечника и оболочки. На чертеже показаны: 1 - матрица; 2 - оболочка; 3 - сердечник.

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

$${\epsilon }_{cp}=\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_M^{\text{'}},\text{ (2)}$$

где $${\alpha }_M^{\text{'}}$$ - угол наклона образующей сердечника к оси прессования;

λ - вытяжка.

Из геометрических соотношений (см. чертеж) следует:

$$tg{\alpha }_M^{\text{'}}=\frac{R_c}{R_0}tg{\alpha }_M^{},\text{ (3)}$$

где R_c - радиус сердечника;

R₀ - наружный радиус заготовки.

С учетом соотношения (3) степень деформации сердечника равна:

$${\epsilon }_{cp}=\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}\frac{R_c}{R_0}tg{\alpha }_M.\text{ (4)}$$

Для усредненного значения сопротивления деформации сердечника составляющая напряжения, связанная с пластической деформацией сердечника, с учетом соотношения (4) составит:

$${\sigma }_{пл}^{с}={\sigma }_s^c(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}\frac{R_c}{R_0}tg{\alpha }_M).\text{ (5)}$$

Напряжению (5) соответствует доля полного усилия прессования центральной части (сердечника) биметаллической заготовки [Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия. 1975, 448 с.]:

$$P_c={\sigma }_{пл}^{с}\cdot F_c\text{ (6)}$$

где F_c - площадь сердечника на входе в очаг деформации. После подстановки из соотношения (5) получим:

$$P_c=\pi R_c^2{\sigma }_s^c\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}\frac{R_c}{R_0}tg{\alpha }_M\right).\text{ (7)}$$

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

Напряжение прессования оболочки для усредненного значения степени деформации (4) составит:

$${\sigma }_{пл}^{о}={\sigma }_s^o(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_{м}),\text{ (8)}$$

где $${\sigma }_s^o$$ - значение сопротивления деформации материала оболочки.

Соответственно доля общего усилия прессования, пошедшего на деформацию оболочки, равна:

$$P_c=\pi \left(R_0^2-R_c^2\right)\cdot {\sigma }_s^o\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_M\right).\text{ (9)}$$

При пластической деформации биметаллической заготовки в общее усилие прессования входит составляющая, учитывающая действие сил трения в очаге деформации. Результирующая сил трения при этом равна:

$$T_{м}={\sigma }_s^o\cdot F_k\cdot ctg{\alpha }_{м},\text{ (10)}$$

где F_k - площадь контакта биметаллической заготовки и рабочей поверхности матрицы, которая представляет собой боковую поверхность усеченного конуса.

Из геометрических соотношений следует:

$$F_k=\pi \cdot R_1^2\cdot \left(\lambda -1\right),\text{ (11)}$$

где R₁ - наружный радиус биметаллической заготовки на выходе из очага деформации.

С учетом соотношения (11) составляющая, связанная с преодолением сил трения в очаге деформации, равна:

$$T_{м}={\sigma }_s^o\cdot \pi \cdot R_1^2\left(\lambda -1\right)\cdot f\cdot ctg{\alpha }_{м}.\text{ (12)}$$

В общее напряжение прессования вклад от преодоления сил трения в очаге деформации составит:

$${\sigma }_{м}^{о}={\sigma }_s^o\left(\lambda -1\right)f\cdot ctg{\alpha }_{м}/\lambda .\text{ (13)}$$

Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определяется из условия минимума полного напряжения прессования. При этом α_м зависит лишь от $${\sigma }_{пр}^{с},{\sigma }_{пр}^{о},{\sigma }_M^o,$$ поэтому условие минимума усилия

прессования определим из условия:

$$\frac{\partial }{\partial \left(tg{\alpha }_{м}\right)}\left({\sigma }_{пр}^{с}+{\sigma }_{пр}^{о}+{\sigma }_{М}^{о}\right)=0.\text{ (14)}$$

Суммарное напряжение прессования, включающее величины, зависящие от α_м, равно:

$${\sigma }_{\Sigma }={\sigma }_s^c\frac{R_c^2}{R_0^2}\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}\frac{R_c}{R_0}tg{\alpha }_M\right)+{\sigma }_s^o\left(1-\frac{R_c^2}{R_0^2}\right)\left(\ln \lambda +\frac{4}{3\sqrt{3}}tg{\alpha }_M\right)+{\sigma }_s^o\frac{R_1^2}{R_0^2}\left(\lambda -1\right)f\cdot ctg{\alpha }_M.\text{ (15)}$$

Подстановки соотношений (5), (8), (13) в (14) дифференцирования по tgα_M, преобразований и упрощений получим:

$${\alpha }_{м}^{опт}=arctg\left[1.97\sqrt{\frac{f\left(\lambda -1\right)}{\lambda \left(1-{\left(\frac{R_c}{R_0}\right)}^2+\frac{{\sigma }_s^c}{{\sigma }_s^o}\cdot \frac{R_c}{R_0}\right)}}\right].$$

где f - коэффициент трения в зоне деформации;

$$\lambda =R_0^2/R_1^2$$ - вытяжка при прессовании;

R₀ и R₁ - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;

R_c - радиус сердечника;

$${\sigma }_s^c$$ - сопротивление деформации металла сердечника;

$${\sigma }_s^o$$ - сопротивление деформации металла оболочки.

Пример конкретной реализации.

Прессовали сборную биметаллическую заготовку, состоящую из ниобиевого сердечника и медной оболочки, соотношение $$\frac{R_c}{R_0}$$ составляло 0,5 с вытяжкой λ=10, при этом $$\frac{{\sigma }_s^c}{{\sigma }_s^o}$$ =1,5. Для прессования применили стандартную матрицу с α_м=40°. Для приведенного сопротивления деформации напряжение прессования составило 359,03 МПа.

В соответствии с формулой (1) оптимальным углом наклона образующей конического канала матрицы оказался угол равный 30,4°, которому соответствует напряжение прессования σ_пр=340,7 МПа.

Таким образом, оптимизация угла наклона образующей конического канала матрицы привела к снижению напряжения прессования на 18,3 МПа, что составляет 5,1%.

Предлагаемый способ прессования биметаллических заготовок позволяет выбрать оптимальный угол наклона образующей конического канала матрицы к оси прессования. В результате обеспечивается минимальное значение усилия прессования, минимальная энергоемкость процесса прессования. При снижении усилия прессования появляется возможность повышения обжатий при прессовании, применения менее энергоемкого технологического оборудования. При этом повышается износостойкость матриц и качество поверхности прессуемых изделий.

Способ прессования биметаллических прутков и проволоки, включающий помещение биметаллической заготовки, состоящей из сердечника и оболочки, в замкнутый контейнер и выдавливание заготовки через канал конической матрицы с приложением усилия к заднему торцу прессуемой биметаллической заготовки, отличающийся тем, что используют матрицу, угол наклона образующей конического канала к оси прессования которой рассчитывают по формуле:
$${\alpha }_{м}^{опт}=arctg\left[1.97\sqrt{\frac{f\left(\lambda -1\right)}{\lambda \left(1-{\left(\frac{R_c}{R_0}\right)}^2+\frac{{\sigma }_s^c}{{\sigma }_s^o}\cdot \frac{R_c}{R_0}\right)}}\right]$$ ,
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
$$\lambda =R_0^2/R_1^2$$ - вытяжка при прессовании;
R₀ и R₁ - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;
R_c - радиус сердечника заготовки;
$${\sigma }_s^c$$ - сопротивление деформации металла сердечника;
$${\sigma }_s^o$$ - сопротивление деформации металла оболочки.