Способ прессования биметаллических заготовок
Владельцы патента RU 2528302:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)
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:
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
λ=
R0 и R1 - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;
Rc - радиус сердечника;
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]:
где
λ - вытяжка.
Из геометрических соотношений (см. чертеж) следует:
где Rc - радиус сердечника;
R0 - наружный радиус заготовки.
С учетом соотношения (3) степень деформации сердечника равна:
Для усредненного значения сопротивления деформации сердечника составляющая напряжения, связанная с пластической деформацией сердечника, с учетом соотношения (4) составит:
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.]:
где Fc - площадь сердечника на входе в очаг деформации. После подстановки из соотношения (5) получим:
Аналогичный расчет выполнен для наружной части (оболочки) биметаллической заготовки.
Напряжение прессования оболочки для усредненного значения степени деформации (4) составит:
где
Соответственно доля общего усилия прессования, пошедшего на деформацию оболочки, равна:
При пластической деформации биметаллической заготовки в общее усилие прессования входит составляющая, учитывающая действие сил трения в очаге деформации. Результирующая сил трения при этом равна:
где Fk - площадь контакта биметаллической заготовки и рабочей поверхности матрицы, которая представляет собой боковую поверхность усеченного конуса.
Из геометрических соотношений следует:
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:
В общее напряжение прессования вклад от преодоления сил трения в очаге деформации составит:
Оптимальный угол наклона образующей матрицы к оси прессования определяется из условия минимума полного напряжения прессования. При этом αм зависит лишь от
прессования определим из условия:
Суммарное напряжение прессования, включающее величины, зависящие от αм, равно:
Подстановки соотношений (5), (8), (13) в (14) дифференцирования по tgαM, преобразований и упрощений получим:
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
R0 и R1 - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;
Rc - радиус сердечника;
Пример конкретной реализации.
Прессовали сборную биметаллическую заготовку, состоящую из ниобиевого сердечника и медной оболочки, соотношение
В соответствии с формулой (1) оптимальным углом наклона образующей конического канала матрицы оказался угол равный 30,4°, которому соответствует напряжение прессования σпр=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:
где f - коэффициент трения в зоне деформации;
R0 и R1 - внешний радиус биметаллической заготовки до и после деформации соответственно;
Rc - радиус сердечника заготовки;