Результат интеллектуальной деятельности: СМАЗОЧНАЯ ШАЙБА ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ И СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ШАЙБЫ

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к производству изделий методом горячего прессования и может быть использовано при производстве полых профилей из специальных сталей и сплавов.

Известна смазочная шайба для горячего прессования изделий, выполненная в виде диска из двух концентричных частей, внутренняя из которых изготовлена из доменного шлака с добавками связующего вещества, а наружная - из стеклокрупки с добавками того же связующего вещества, при этом диаметр внутренней части шайбы равен 0,7 от диаметра наружной ее части (а.с. СССР №724234, В21С 23/32, В21С 35/04, опубл. 30.03.1980).

При применении смазочной шайбы, выполненной из двух концентричных частей, равномерное образование сплошного разделительного слоя смазочного материала шайбы на контактной поверхности «пресс-изделие - матрица» обеспечивается, в большей степени, при прессовании с боковым истечением металла. Смазочная шайба обладает низкой стойкостью к разрушению при монтаже в канал матрицы. Кроме того, при низкой скорости прессования (от 100 до 200 мм/с) внутренний слой смазочной шайбы из доменного шлака не оплавляется, в результате чего прекращается поступление смазочного материала шайбы на контактную поверхность «пресс-изделие - матрица», что приводит к повышению усилия прессования, снижению стойкости матрицы и ухудшению качества наружной поверхности пресс-изделия.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является смазочная шайба для горячего прессования изделий, состоящая из двух слоев с наружной поверхностью в виде усеченного конуса, с центральным отверстием и внутренней конической полостью. Слои шайбы выполнены из порошкового смазочного материала одинаковой толщины, диаметр отверстия в слое, примыкающем к матрице, равен диаметру канала матрицы, а диаметр отверстия в другом слое определяют по математической зависимости (а.с. СССР №1158270, В12С 23/32, опубл. 30.05.1985).

Недостатком прототипа является узкий температурный интервал, в котором обеспечивается равномерное смазывание контактной поверхности «пресс-изделие - матрица». При разных скоростях прессования использование указанной смазочной шайбы, слои которой имеют одинаковую толщину, не всегда обеспечивает стабильное поступление смазочного материала на контактную поверхность «пресс-изделие - матрица», компоненты смазочного материала могут налипать на поверхность, что ухудшает качество наружной поверхности изделия, снижает стойкость матрицы и повышает усилие прессования.

Известен способ прессования профилей, включающий подачу в контейнер пресса заготовки, нагретой до температуры начала прессования, установку матрицы со смазочной шайбой на ней и выдавливание пресс-штемпелем металла заготовки в отверстие матрицы. Для отведения выделяющегося в пластической зоне деформационного тепла и понижения температуры металла заготовки до оптимального значения к концу процесса прессования уменьшают скорость перемещения пресс-штемпеля и получают пресс-изделие (Перлин И.Л. Теория прессования металлов / Перлин И.Л., Л.Х. Райтбарг. - М: Металлургия, 1975. - С. 263).

Недостатками известного способа являются высокое значение усилия прессования, вызванное понижением температуры металла заготовки в контейнере вследствие низкого диапазона скоростей (от 100 до 200 мм/с) перемещения пресс-штемпеля, повышенный износ калибрующего участка матрицы из-за увеличения сил трения на контактной поверхности «пресс-изделие - матрица», а также невысокая производительность процесса. Кроме того, при понижении температуры металла в контейнере повышается значение динамической вязкости смазочной шайбы, при этом на контактной поверхности «пресс-изделие - матрица» не образуется сплошной разделительный слой смазочного материала шайбы, в результате чего повышается усилие прессования, снижается стойкость матрицы и ухудшается качество наружной поверхности пресс-изделия.

Известен способ прессования профилей, включающий подачу в контейнер пресса заготовки, нагретой до температуры ниже температуры начала прессования, установку матрицы со смазочной шайбой на ней и выдавливание пресс-штемпелем металла заготовки в отверстие матрицы. Для разогрева заготовки до температуры оптимальной пластичности и обеспечения низкой вязкости металла заготовки увеличивают скорость перемещения пресс-штемпеля и получают пресс-изделие (Перлин И.Л. Теория прессования металлов / Перлин И.Л., Л.Х. Райтбарг. - М.: Металлургия, 1975. - С. 263).

Недостатком указанного способа является высокое значение усилия прессования в начальной стадии процесса из-за необходимости достижения диапазона высоких скоростей перемещения пресс-штемпеля (от 250 до 350 мм/с) и разогрева металла заготовки за ограниченное время до температуры оптимальной пластичности. При этом в начальной стадии процесса материал смазочной шайбы имеет высокое значение динамической вязкости, на контактной поверхности «пресс-изделие - матрица» не образуется сплошной разделительный слой смазочного материала. В результате повышается усилие прессования, снижается стойкость матрицы и ухудшается качество наружной поверхности пресс-изделия.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ прессования изделий, включающий подачу в контейнер пресса заготовки, нагретой до температуры начала прессования, установку матрицы со смазочной шайбой на ней и выдавливание пресс-штемпелем металла заготовки с заданной скоростью в отверстие матрицы. Для поддержания изотермического процесса скорость прессования в течение процесса регулируют в зависимости от изменения температуры пресс-изделия на выходе из матрицы (Перлин И.Л. Теория прессования металлов / Перлин И.Л., Л.Х. Райтбарг. - М.: Металлургия, 1975. - С. 263-264).

Однако изменение скорости прессования в зависимости от температуры пресс-изделия не обеспечивает учета мгновенного изменения температуры металла заготовки в контейнере (тепловая инерция), а следовательно - и изменения динамической вязкости материала смазочной шайбы, что приводит к нарушению сплошности разделительного слоя смазочного материала на контактной поверхности «пресс-изделие -матрица». При этом повышается усилие прессования, снижается стойкость матрицы и ухудшается качество наружной поверхности пресс-изделия. Кроме того, у способа низкая производительность из-за сложности практической реализации согласования скорости прессования в диапазоне от 250 до 350 мм/с и температуры пресс-изделия.

Техническая задача, решаемая изобретениями, заключается в снижении усилия прессования, уменьшении износа матрицы и повышении качества наружной поверхности изделия за счет обеспечения стабильного поступления смазочного материала шайбы на контактную поверхность изделия и матрицы при прессовании в широком диапазоне скоростей.

Поставленная задача решается за счет того, что в смазочной шайбе для горячего прессования изделий, выполненной в виде диска с центральным отверстием, состоящего по меньшей мере из двух слоев, изготовленных из смазочного материала, согласно изобретению, слои шайбы выполнены из материалов, обладающих разной вязкостью расплавов при температуре начала прессования, обеспечивающей постоянное поступление смазочного материала на контактную поверхность изделия и матрицы.

Поставленная задача решается также за счет того, что в способе прессования изделий, включающем подачу в контейнер пресса заготовки, нагретой до температуры начала прессования, установку матрицы со смазочной шайбой на ней и выдавливание пресс-штемпелем металла заготовки с заданной скоростью в отверстие матрицы, согласно изобретению, смазочную шайбу, выполненную по п. 1, устанавливают с размещением контактного слоя относительно торцевой поверхности заготовки, при этом слои шайбы формируют в зависимости от скорости перемещения пресс-штемпеля таким образом, что при минимально заданной скорости перемещения пресс-штемпеля контактный слой выполняют из материала с большей вязкостью расплава при температуре начала прессования, чем у смежного слоя, и при максимально заданной скорости перемещения пресс-штемпеля контактный слой выполняют из материала с меньшей вязкостью расплава при температуре начала прессования, чем у смежного слоя.

В процессе прессования при перемещении пресс-штемпеля с минимально заданной скоростью смазочную шайбу устанавливают с обеспечением контакта с торцевой поверхностью заготовки слоя смазочной шайбы, который выполняют из материала, обладающего большей вязкостью расплава при температуре начала прессования, чем у смежного слоя. А при перемещении пресс-штемпеля с максимально заданной скоростью смазочную шайбу устанавливают с обеспечением контакта с торцевой поверхностью заготовки слоя смазочной шайбы, который выполняют из материала, обладающего меньшей вязкостью расплава при температуре начала прессования, чем у смежного слоя. Обеспечение стабильного поступления смазочного материала на контактную поверхность изделия и матрицы при максимально заданной скорости перемещения пресс-штемпеля (от 250 до 350 мм/с) происходит за счет поочередного размягчения слоев смазочной шайбы при изменении температуры прессуемой заготовки и образования сплошного разделительного слоя на контактной поверхности изделия и матрицы. Причем в начальной стадии прессования контактный слой смазочной шайбы, имеющий при температуре начала прессования меньшую вязкостью расплава, чем у смежного слоя, размягчается и смазывает контактную поверхность изделия и матрицы. Затем, в результате теплового эффекта деформации, при увеличении температуры металла заготовки другой слой смазочной шайбы, смежный с предыдущим и имеющий при температуре начала прессования большую вязкостью расплава, также размягчается и смазывает контактную поверхность изделия и матрицы.

При минимально заданной скорости перемещения пресс-штемпеля (от 100 до 200 мм/с) обеспечение стабильного поступления смазочного материала на контактную поверхность изделия и матрицы происходит за счет поочередного размягчения слоев смазочной шайбы при изменении температуры прессуемой заготовки. Причем в начальной стадии прессования слой смазочной шайбы, контактирующий с торцевой поверхностью заготовки и имеющий при температуре начала прессования большую вязкостью расплава, чем у смежного слоя, размягчается и смазывает контактную поверхность изделия и матрицы. Затем, в результате отсутствия или низкого значения теплового эффекта деформации и одновременного снижения температуры металла заготовки из-за длительного контакта ее с втулкой контейнера, другой слой смазочной шайбы, смежный с предыдущим и имеющий при температуре начала прессования меньшую вязкостью расплава, также размягчается и поступает на контактную поверхность изделия и матрицы с образованием сплошного разделительного слоя.

Установка на матрицу смазочной шайбы, состоящей по меньшей мере из двух слоев смазочных материалов, обладающих разной вязкостью расплавов при температуре начала прессования, обеспечивает поочередное размягчение слоев шайбы и постоянное поступление смазочного материала на контактную поверхность изделия и матрицы в зависимости от скорости перемещении пресс-штемпеля. За счет стабильного поступления смазочного материала с образованием размягченного сплошного разделительного слоя на контактной поверхности в течение всего процесса прессования обеспечивается постоянство коэффициента трения, снижаются усилия прессования, не происходит налипания компонентов смазочного материала на поверхность прессуемых изделий и матрицы и образования дефектов на наружной поверхности изделий, не нарушается сплошность смазывающего слоя.

Смазочная шайба для прессования изделий и способ прессования с ее применением были опробованы в промышленных условиях на горизонтальном трубопрофильном прессе с максимальным усилием 20,0 МН при прессовании двух партий труб размером 89×12 мм из заготовок, выполненных из стали марки 12Х18Н10Т, диаметром 184 мм, длиной 600 мм и массой 93 кг каждая. Коэффициент вытяжки составил 15,3. Сопротивление металла пластической деформации принималось равным 200 МПа.

Смазочную шайбу для прессования изделий, состоящую, например из двух слоев, изготавливали следующим образом. Различные марки стеклопорошка в зависимости от величины вязкости их расплавов при температуре начала прессования засыпали в отдельные емкости, где каждый из них смешивали со связующим веществом, в качестве которого использовали жидкое стекло. Затем в форму поочередно загружали приготовленные смеси стеклопорошков со связующим и спрессовывали смазочную шайбу в виде диска с центральным отверстием. Для обеспечения прочности смазочной шайбы ее высушивали в сушильной печи обдувом горячим воздухом при температуре 180±20°С в течение 30÷35 мин. Площадь контактной поверхности смазочной шайбы составляла 0,0829 м².

Прессование труб из первой партии проводили со скоростью перемещения пресс-штемпеля 300 мм/с в контейнере диаметром 191 мм с использованием пресс-иглы диаметром 66,5 мм в течение 2 с (для каждой трубы). По имеющимся результатам проводимых ранее операций прессования труб аналогичного сортамента определили долю усилия прессования, затраченного на тепловой эффект деформации, которая составила 6·10^-10. Изменение температуры заготовки составило 120°С, что соответствует фактическим данным о повышении температуры с 1150 до 1270°С. Контактный слой смазочной шайбы, прилегающий к заготовке, был изготовлен из стеклопорошка, вязкость расплава которого при температуре начала прессования 1150°С составляла 20,0 Па·с. Смежный слой смазочной шайбы, прилегающий к матрице, был изготовлен из стеклопорошка, вязкость расплава которого при температуре начала прессования 1150°С составляла 120,0 Па·с, и при температуре окончания прессования 1270°С - составляла 20 Па·с.

Прессование труб из второй партии проводили со скоростью перемещения пресс-штемпеля 100 мм/с в контейнере диаметром 191 мм с использованием пресс-иглы диаметром 66,5 мм в течение 6 с (для каждой трубы). Изменение температуры заготовки составило 120°С, что соответствует фактическим данным о понижении температуры с 1150 до 1030°С. Контактный слой смазочной шайбы, прилегающий к заготовке, был изготовлен из стеклопорошка, вязкость расплава которого при температуре начала прессования 1150°С составляла 120,0 Па·с. Смежный слой смазочной шайбы, прилегающий к матрице, был изготовлен из стеклопорошка, вязкость расплава которого при температуре начала прессования 1150°С составляла 20 Па·с, и при температуре окончания прессования 1030°С - составляла 120 Па·с.

Значение максимального усилия прессования в диапазонах максимально и минимально заданных скоростей составило 13,4 МН, что на 10% ниже усилия прессования, которое составило 14,9 МН при прессовании с использованием штатной смазочной шайбы. Кроме того, значение максимального усилия прессования в обоих случаях одинаково, что свидетельствует о постоянном значении коэффициента трения на контактной поверхности изделия и матрицы. При последующем визуальном осмотре наружной поверхности труб размером 89×12 мм не было выявлено дефектов поверхности. При визуальном осмотре рабочей поверхности матрицы также не было выявлено дефектов и несовершенств, классифицируемых в практике как риски, наплывы и задиры (Прозоров Л.В. Прессование стали / Прозоров Л.В. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1956. - С. 203-205). Геометрический контроль внутреннего диаметра матрицы подтвердил отсутствие истирания ее рабочей поверхности.

Использование смазочной шайбы для прессования изделий и способа прессования с ее применением обеспечивают образование сплошного разделительного слоя смазочного материала на контактной поверхности изделия и матрицы в течение всего процесса прессования, снижение усилия прессования, уменьшение износа матрицы и повышение качества наружной поверхности изделий. Изобретение может быть использовано при производстве изделий, в том числе полых профилей ответственного назначения из специальных сталей и сплавов.