Способ прессования биметаллических заготовок

Способ прессования биметаллических заготовок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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:

α м о п т = a r c t g [ 1.97 f ( λ − 1 ) λ ( 1 − ( R c R 0 ) 2 + σ s c σ s o ⋅ R c R o ) ] .  (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;

σ s c - сопротивление деформации металла сердечника;

σ 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]:

ε c p = ln λ + 4 3 3 t g α M ' ,  (2)

где α M ' - угол наклона образующей сердечника к оси прессования;

λ - вытяжка.

Из геометрических соотношений (см. чертеж) следует:

t g α M ' = R c R 0 t g α M ,  (3)

где R_c - радиус сердечника;

R₀ - наружный радиус заготовки.

С учетом соотношения (3) степень деформации сердечника равна:

ε c p = ln λ + 4 3 3 R c R 0 t g α M .  (4)

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

σ п л с = σ s c ( ln λ + 4 3 3 R c R 0 t g α M ) .  (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 = σ п л с ⋅ F c  (6)

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

P c = π R c 2 σ s c ( ln λ + 4 3 3 R c R 0 t g α M ) .  (7)

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

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

σ п л о = σ s o ( ln λ + 4 3 3 t g α м ) ,  (8)

где σ s o - значение сопротивления деформации материала оболочки.

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

P c = π ( R 0 2 − R c 2 ) ⋅ σ s o ( ln λ + 4 3 3 t g α M ) .  (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 = σ s o ⋅ F k ⋅ c t g α м ,  (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 = π ⋅ R 1 2 ⋅ ( λ − 1 ) ,  (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 = σ s o ⋅ π ⋅ R 1 2 ( λ − 1 ) ⋅ f ⋅ c t g α м .  (12)

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

σ м о = σ s o ( λ − 1 ) f ⋅ c t g α м / λ .   (13)

Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определяется из условия минимума полного напряжения прессования. При этом α_м зависит лишь от σ п р с ,   σ п р о ,   σ M o , поэтому условие минимума усилия

прессования определим из условия:

∂ ∂ ( t g α м ) ( σ п р с + σ п р о + σ М о ) = 0.  (14)

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

σ Σ = σ s c R c 2 R 0 2 ( ln λ + 4 3 3 R c R 0 t g α M ) + σ s o ( 1 − R c 2 R 0 2 ) ( ln λ + 4 3 3 t g α M ) + σ s o R 1 2 R 0 2 ( λ − 1 ) f ⋅ c t g α M .  (15)

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

α м о п т = a r c t g [ 1.97 f ( λ − 1 ) λ ( 1 − ( R c R 0 ) 2 + σ s c σ s o ⋅ R c R 0 ) ] .

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;

σ s c - сопротивление деформации металла сердечника;

σ s o - сопротивление деформации металла оболочки.

Пример конкретной реализации.

Прессовали сборную биметаллическую заготовку, состоящую из ниобиевого сердечника и медной оболочки, соотношение R c R 0 составляло 0,5 с вытяжкой λ=10, при этом σ s c σ 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: α м о п т = a r c t g [ 1.97 f ( λ − 1 ) λ ( 1 − ( R c R 0 ) 2 + σ s c σ s o ⋅ R c R 0 ) ] ,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 заготовки; σ s c - сопротивление деформации металла сердечника; σ s o - сопротивление деформации металла оболочки.