Устройство для сферодинамического наноструктурирования материалов

 

Полезная модель относится к области обработки материалов давлением и, в частности, к устройствам для получения наноструктурированных деталей машин и механизмов с заданным уровнем эксплуатационных свойств и может быть использована при изготовлении нового поколения определяющих деталей агрегатов из т.н. «умных» материалов, сформированных холодным пластическим деформированием. Полезная модель позволяет формировать в материале феноменологический комплекс физических характеристик за счет реализации пластических роторов (вихрей) волновой пластической деформации, проникающих на наноуровень (10-9м) обрабатываемого материала. Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли, обусловливает формирование в материале заготовки 7 при ее взаимодействии с планетарным деформирующем модулем 3 спиралеобразных траекторий перемещения очага деформации со стороны планетарного деформирующего модуля 3, что резко снижает энергетические потери перемещения пластических роторов (вихрей) по массиву материала, повышая эффективность их проникновения на наноуровень (10 -9м) обрабатываемого материала на стадии хаотических биений планетарного деформирующего модуля 3 и последующих периодических пульсаций. 1 илл.

Полезная модель относится к области обработки материалов давлением и, в частности, к устройствам для получения наноструктурированных деталей машин и механизмов с заданным уровнем эксплуатационных свойств и может быть использована при изготовлении нового поколения определяющих деталей агрегатов из т.н. «умных» материалов, сформированных холодным пластическим деформированием.

Известно устройство для сферодинамической нанорезонансной обработки материалов, содержащее пуансон с ложементом из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке на его рабочей поверхности с возможностью перемещения в канавке, матрицу, планетарный деформирующий модуль, толкатель (патент РФ 75969, МПК7 В21Д 37/12).

В результате анализа известного устройства установлено, что наличие на рабочей поверхности пуансона ложемента не обеспечивает при деформировании заготовки проникновения механизмов волновой пластичности в виде роторов (вихрей) в срединные зоны массива материала, что обусловливает в материале готовой детали наличие «застойных» зон с непроработанной исходной структурой.

Известно устройство для сферодинамической нанорезонансной обработки материалов, содержащее пуансон, матрицу, планетарный деформирующий модуль, толкатель с рабочей и боковой поверхностями и ложементом, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке с возможностью перемещения (вращения) (патент РФ 76832, МПК7 В21Д 37/12) - наиболее близкий аналог.

В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что наличие на боковой поверхности толкателя ложемента в определенной мере инициирует возникновение дополнительных вертикальных ударных импульсов со стороны модуля в сторону деформируемой заготовки, однако их интенсивность из-за демпфирования материала модуля недостаточна для проникновения пластических роторов (вихрей) на наноуровень (10-9 м) срединных слоев материала заготовки в момент «нарушения модулем первоначальных гравитационных условий», т.е. в момент «всплывания модуля».

Технический результат настоящей полезной модели заключается в одновременном повышении прочностных и пластических свойств материала деталей за счет реализации волновой природы пластичности в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10-9 м) обрабатываемого материала по всему массиву при воздействии выступов боковой поверхности планетарного деформирующего модуля в момент его «всплывания» и импульсного воздействия на заготовку.

Указанный технический результат обеспечивается за счет конструкции устройства. Заявляемое устройство содержит пуансон, матрицу, планетарный деформирующий модуль с рабочей поверхностью, боковой поверхностью, опорной поверхностью, толкатель с рабочей и боковой поверхностями и ложементом, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке, выполненной на боковой поверхности толкателя, с возможностью перемещения (вращения) в канавке. Планетарный деформирующий модуль выполнен с выступами в форме полусферы, расположенными на его боковой поверхности по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом между выступами по длине спирали, определяемым из соотношения:

Е=(23)

где: Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;

- степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм.

Сущность заявляемого устройства поясняется графическим материалом, на котором представлена схема устройства.

На схеме указанными позициями обозначены следующие элементы:

1 - обкатной пуансон;

2 - матрица;

3 - планетарный деформирующий модуль;

4 - выступы модуля;

5 - толкатель;

6 - ложемент;

7 - заготовка;

А - рабочая поверхность планетарного деформирующего модуля;

B - боковая поверхность планетарного деформирующего модуля;

С - опорная поверхность планетарного деформирующего модуля.

Заявляемое устройство состоит из обкатного пуансона 1, матрицы 2 с полостью, в которой размещены последовательно друг на друге планетарный деформирующий модуль 3, выполненный с рабочей поверхностью А, боковой поверхностью В и опорной поверхностью С, толкатель 5 с рабочей и боковой поверхностями и ложементом 6, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке с возможностью вращения. Планетарный деформирующий модуль 3 выполнен с выступами 4 в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, определяемым из соотношения:

Е=(23)

где: Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;

- степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм (Ф. МакКлинток, А. Аргон Деформация и разрушение материалов. Пер. с англ. Под ред. Е.М. Морозова и Б.М. Струнина. М. «Мир», с. 161 и 177).

Устройство работает следующим образом. Заготовку 7 размещают в полости матрицы 2 на планетарном деформирующем модуле 3. Затем производят силовое замыкание перед деформированием путем контакта обкатного пуансона 1 с верхним торцом заготовки 7 и последующей регламентированной ее осадки, после чего производят деформирование заготовки 7 путем обкатывания ее обкатным пуансоном 1, осуществляя регламентированное заполнение металлом заготовки 7 полости матрицы 2.

После силового замыкания устройства обкатной пуансон 1 начинает деформировать заготовку 7; и по мере упрочнения (наклепа) материала заготовки 7 устройство спонтанно (без внешнего воздействия) проходит последовательно следующие стадии: состояние «Динамическая неустойчивость», которое характеризуется возрастающим уровнем вибрации всех его элементов; состояние «Деформационный резонанс», при котором частота колебаний деформируемой заготовки 7 в 2-7 раз превышает частоту колебаний остальных элементов устройства; состояние «Взрывная неустойчивость», при котором планетарный деформирующий модуль 3 совершает нерегламентированные хаотичные разовые т.н. «подскоки»; состояние «нарушение планетарным деформирующим модулем 3 первоначальных гравитационных условий», т.е планетарный деформирующий модуль 3 отрывается от поверхности толкателя 5, который за счет ложемента 6, размещенного в кольцевой канавке на его боковой поверхности, за счет упругости материала сообщает планетарному деформирующему модулю 3 дополнительный силовой импульс, инициирующий нарушение контакта между планетарным деформирующим модулем 3 и поверхностью толкателя 5.

На этой стадии деформирования заготовки 7 приводным обкатным пуансоном 1 и бесприводным планетарным деформирующим модулем 3 в ее материале реализуется энергетика волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10-9 м) обрабатываемого материала и формирующих в нем феноменологический комплекс структурно-чувствительных характеристик, а именно одновременно высокие пластичность и прочность.

Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами в форме полусферы, расположенными на его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, определяемым из соотношения:

Е=(23)

где: Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;

- степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм,

обусловливает циклический характер его взаимодействия с заготовкой 7, начиная со стадии «Динамическая неустойчивость» деформирующей системы и до окончания ее деформационного резонанса, что позволяет регламентировано определять момент нарушения планетарным деформирующим модулем 3 его первоначальных гравитационных условий (момент т.н. «всплывания» модуля), а также на стадии «Взрывная неустойчивость» реализовать при деформировании им заготовки 7 энергетические условия реализации механизмов волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10-9 м) обрабатываемого металла и формирующих феноменологический комплекс физико-механических свойств в детали.

Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами 4 в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, по величине меньшим 2, не обеспечивает необходимого для реализации волновой природы пластической деформации поля сжимающих напряжений, создаваемого в материале деформируемой планетарным деформирующим модулем 3 заготовки 7 и не обеспечивает «запоминания» материалом заготовки 7 истории его нагружения, что не позволяет создать в деформирующей системе условия для ее перевода в состояние «Динамической неустойчивости».

Выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами 4 в форме полусферы, расположенными по всей длине его боковой поверхности В по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, по величине большим 3, повышает вероятность нарушения сплошности материала деформируемой заготовки 7 в зоне контактов с выступами 4 планетарного деформирующего модуля 3 на стадии «Нарушение модулем гравитационных условий» планетарным деформирующим модулем 3 (т.н. «всплывание» модуля).

Таким образом, выполнение планетарного деформирующего модуля 3 с выступами 4 на его боковой поверхности В обеспечивает при деформировании заготовки 7 реализацию волновой природы пластической деформации в виде пластических роторов (вихрей), проникающих на наноуровень (10-9 м) материала заготовки 7.

Определение момента «всплывания» планетарного деформирующего модуля 3 позволяет интенсифицировать двустороннее силовое деформирующее воздействие на заготовку 7 со стороны обкатного пуансона 1 и планетарного деформирующего модуля 3 и тем самым повысить эффективность проникновения пластических роторов (вихрей) на наноуровень (10-9 м) обрабатываемого материала, увеличивая степень его наноструктурирования.

Устройство для сферодинамического наноструктурирования материалов, содержащее пуансон, матрицу, планетарный деформирующий модуль, толкатель с рабочей и боковой поверхностями и ложементом, выполненным из упругого материала в форме листа Мебиуса, размещенного в кольцевой канавке, выполненной на боковой поверхности толкателя, с возможностью вращения в канавке, отличающееся тем, что планетарный деформирующий модуль выполнен с выступами в форме полусферы, расположенными на его боковой поверхности по кривой в форме логарифмической спирали Бернулли с шагом, определяемым из соотношения:

Е=(23),

где Е - шаг между выступами по длине логарифмической спирали Бернулли по боковой поверхности сферодинамического модуля, мм;

- степень деформации материала заготовки, соответствующая верхнему пределу реализации эффекта Баушингера и выраженная через изменение высоты исходной заготовки при торцевой осадке, мм.



 

Наверх