Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ ПРУТКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для производства осесимметричных прутковых изделий гидромеханическим прессованием.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ гидромеханического прессования прутковых изделий, заключающийся в выдавливании помещенной в контейнер осесимметричной прутковой заготовки через коническую матрицу воздействием на задний конец заготовки пуансоном с необходимым усилием (см. Известия вузов. Цветная металлургия, 2015, №5, с. 45). Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого решения, - способ гидромеханического прессования прутковых изделий, заключающийся в выдавливании осесимметричной прутковой заготовки, помещенной в контейнер, через коническую матрицу воздействием на задний конец заготовки пуансоном усилием Р.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что он не регламентирует соотношение длины заготовки с ее диаметром при заданном обжатии и технологических параметрах пластической деформации. Известно, что, воздействуя на заготовку осевым усилием, возможна потеря устойчивости заготовки, что вызовет нарушение симметрии деформации в матрице, нарушение прямолинейности изделия на выходе из матрицы, появление асимметричных остаточных напряжений в изделии, снижение качества по прямолинейности, необходимость правки изделий после прессования.

Задачей изобретения является определение предельных соотношений длины и диаметра заготовки из условий сохранения устойчивости заготовки при воздействии осевого усилия с учетом технологических параметров процесса пластического деформирования.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе гидромеханического прессования прутковых изделий, заключающемся в выдавливании осесимметричной прутковой заготовки, помещенной в контейнер, через коническую матрицу воздействием на задний конец заготовки пуансоном усилием Р, предельное соотношение длины и диаметра заготовки d₀ определяют из условия сохранения устойчивости заготовки по формуле:

где Ε - модуль упругости материала заготовки, МПа;

σ_s - сопротивление деформации прессуемого материала, МПа;

- вытяжка при прессовании;

d₀,d₁ - диаметр заготовки и диаметр изделия после прессования соответственно, мм;

α_м - угол наклона образующей матрицы к оси прессования, град;

ƒ - коэффициент трения в очаге деформации.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, - определение предельного соотношения длины и диаметра заготовки в зависимости от технологических параметров процесса пластического деформирования.

На чертеже приведена схема гидромеханического прессования.

Прутковую заготовку 1 с исходным диаметром d₀ помещают в контейнер 2 диаметром d_к и прессуют с помощью пуансона 3 через коническую матрицу 4 до диаметра d₁ усилием Р. Зазор 5 между заготовкой 1 и контейнером 2 заполняют рабочей средой, выполняющей и роль смазки.

Основными параметрами, определяющими энергосиловые характеристики гидромеханического прессования, являются усилие прессования, коэффициенты вытяжки и трения в очаге деформации, угол наклона образующей матрицы к оси прессования, сопротивление деформации обрабатываемого материала.

Полное усилие прессования Ρ приводится при этом к среднему напряжению прессования σ_пр:

где - площадь сечения исходной заготовки.

Основными составляющими напряжения прессования являются: напряжение, затрачиваемое на пластическую деформацию, и напряжение на преодоление сил трения в очаге деформирования в рабочем корпусе матрицы.

Напряжение, затрачиваемое на пластическую деформацию, определяется по формуле (см. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия. 1964. - 344 с.):

где σ_s - сопротивление деформации прессуемого материала;

ε - степень деформации при прессовании.

Средняя по сечению степень деформации в коническом инструменте определяется коэффициентом вытяжки и дополнительными деформациями сдвига на входе в конический инструмент и выходе из него (см. Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая смазка при обработке металлов давлением. М.: Металлургия. 1986. - 168 с.):

где - вытяжка при прессовании;

α_м - угол наклона образующей матрицы к оси прессования.

Для усредненного значения сопротивления деформации обрабатываемого материала напряжение пластического деформирования (3) с учетом (4) будет равно:

В свою очередь проекция результирующей силы трения на ось прессования для конической поверхности матрицы равна:

где τ_м - среднее касательное напряжение трения на контакте заготовка - матрица;

ƒ - коэффициент трения в очаге деформации;

F_м - площадь контактной поверхности конической части матрицы. Определив F_м из геометрических соотношений получим:

Составляющая напряжения от сил трения при этом равна:

В итоге среднее напряжение гидромеханического прессования с учетом соотношений (5) и (8) примет следующий вид:

Расчеты по формуле (9) свидетельствуют о том, что с увеличением вытяжки напряжение прессования возрастает. С увеличением угла α_м напряжение прессования также возрастает. При увеличении вытяжки λ возникает опасность потери устойчивости заготовки под действием сжимающего усилия Р. Потеря устойчивости приведет к искривлению заготовки до поступления в матрицу, что вызовет нарушение симметрии деформации в матрице, нарушение прямолинейности изделия на выходе из матрицы, появление асимметричных остаточных напряжений в изделии, снижение качества изделия по прямолинейности.

Критическое усилие, приводящее к потере устойчивости, определяется формулой Эйлера (см. Биргер И.А., Мавлютев P.P. Сопротивление материалов. Учебное пособие. - Киев.: Наукова Думка. 1986):

где Ε - модуль упругости материала заготовки;

Υ - момент инерции сечения заготовки;

- начальная длина заготовки. Для заготовки круглого поперечного сечения момент инерции равен:

что после подстановки в уравнение (10) даст критическое напряжение, соответствующее критическому напряжению, приводящее к потере устойчивости заготовки:

Из этого соотношения следует критическое соотношение размеров заготовки:

Потеря устойчивости заготовки в начальный момент гидромеханического прессования произойдет в случае достижения напряжения прессования σ_тр величины σ_кр.

После подстановки соотношения (9) в условие потери устойчивости (13) получим предельную относительную длину применяемой заготовки, превышение которой будет сопровождаться потерей устойчивости применяемой заготовки:

При известных технологических параметрах гидромеханического прессования по формуле (1) определяется предельная относительная длина применяемой заготовки.

Пример конкретной реализации

Прессованию подвергли медную заготовку с d₀=20 мм на диаметр d₁=8,5 мм, коэффициент вытяжки при этом λ=5. Угол α_м=20 град, ƒ=0,1 модуль упругости для меди Ε=1^⋅10⁵ МПа, σ_s=350 МПа.

По формуле (1) получили предельное значение , что составило для d₀=20 мм предельное .

При использовании заготовки длиной 300 мм произошла потеря устойчивости заготовки, в результате которой на выходе из матрицы изделие имело криволинейную форму.