МАТРИЦА ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С МАЛОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТЬЮ

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно, к инструменту для прессования металлических материалов.

Цель изобретения - повышение качества поверхности пресс-изделий из материалов с малой технологической пластичностью, в частности, недостаточно пластичных в условиях термодинамического цикла прессования алюминиевых сплавов, в том числе, эвтектических и заэвтектических силуминов, а также повышение технологичности прессования таких материалов.

Качество поверхности пресс-изделий - наиболее актуальный вопрос при их производстве, зависящий от равномерности распределения деформации по объему заготовки, механических свойств прессуемого материала, его реологических характеристик в условиях горячей деформации, скорости деформирования, контактного трения на границе раздела «прессуемый материал - матрица» и других факторов. Одним из определяющих качество и точность размеров пресс-изделий факторов является геометрия канала матрицы - форма ее рабочей поверхности, формирующей пресс-изделие. Конструкция матрицы должна обеспечить качество пресс-изделий и технологичность процесса прессования.

Многофакторность влияния определяет множество технических решений по конструкции как типовых матриц, так и конструктивных решений для определенных материалов и видов (типов) пресс-изделий. При этом конструктивные особенности является весьма критичными.

Известны типовые матрицы для прессования с различной формой рабочей поверхности: плоской, конической, плоско-конической, радиальной, радиально-конической (Прессование тяжелых цветных металлов и сплавов. Ю.Ф. Шевакин, Л.М. Грабарник, А.А. Нагайцев. М.; Металлургия, 1987. 246 с.).

Как отмечено выше, типовые решения не решают проблемы качества пресс-изделий из ряда материалов, особенно с малой технологической пластичностью.

Известны многочисленные конструктивные исполнения рабочей поверхности матриц для прессования малопластичных материалов:

- в виде двойного конуса (авт. свид. СССР №1810158),

- вогнутой по радиусу (патент РФ №2222407),

- с выпуклым профилем обжимного участка, выполненным по функции интеграла вероятности Гаусса (авт. свид. СССР №1391750),

- с трехмерной изогнутой конструкцией входной поверхности (ЕР №0430922; GB №1456735; Ю.П. Глебов, В.С. Горохов, М.Ф. Захаров, - «Технология легких сплавов», 1975, №5, с. 23-28) и др.

Применение этих матриц, решая проблему повышения качества поверхности пресс-изделий для определенного материала и вида (типа) пресс-изделия, не обеспечивает необходимого качества поверхности пресс-изделий на других труднодеформируемых материалах с малой технологической пластичностью.

Наиболее близкой к предлагаемой матрице по технической сущности и достигаемому эффекту, принятой за прототип, является матрица с трехмерной изогнутой рабочей поверхностью, имеющей вогнутый входной участок, сопряженный с выпуклым обжимным участком, плавно переходящим в калибрующий поясок (С.В. Беляев, И.М. Довженко, Р.Е. Сколов и др. Технология прессования. Конспект лекций. Красноярск, СФУ, 2007, 310 с.).

Матрица не обеспечивает необходимого качества поверхности пресс-изделий из некоторых труднодеформируемых материалов с малой технологической пластичностью, в частности, из алюминиевых сплавов, в т.ч. эвтектических и заэвтектических силуминов.

Предполагаемое изобретение направлено на повышение качества поверхности пресс-изделий из недостаточно пластичных в условиях термодинамического цикла прессования алюминиевых сплавов, в т.ч. эвтектических и заэвтектических силуминов, а также повышение технологичности их прессования.

Технический результат достигается тем, что в известной матрице с трехмерной изогнутой рабочей поверхностью, имеющей вогнутый входной участок, сопряженный с выпуклым обжимным участком, плавно переходящим в калибрующий поясок, профиль входного и обжимного участков матрицы выполнены в виде поверхностей 2-го порядка, образованных вращением вокруг оси матрицы кривой, состоящей из участков окружности, эллипса, параболы, гиперболы или полинома 2-го порядка, при этом:

- высота вогнутого входного участка составляет 5-20% внешнего диаметра матрицы D,

- высота выпуклого обжимного участка составляет 3,5-35% внешнего диаметра матрицы D,

- суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков составляет 15-55% внешнего диаметра матрицы D,

- диаметр окружности d_c в точке сопряжения входного и обжимного участков определяется соотношением d_c=d+(0,1÷0,6)×(D-d), где d - диаметр калибрующего пояска (пресс-изделия),

- углы наклона касательной в начале входного участка и в точке сопряжения входного и обжимного участков к плоскости поперечного сечения пресс-изделия составляют соответственно от 20° до 75° и от 0,5° до 60°.

Технический результат обусловливается особенностями процесса прессования. Исходя из основополагающих теоретических представлений, контактное трение затрудняет перемещение металла у стенок контейнера и матрицы. Кроме контактного трения, существенное влияние на течение металла оказывает профиль канала матрицы. Даже при отсутствии контактного трения (теоретически идеализированное условие) деформация простого сдвига при обжатии в канале матрицы приводит к неравномерности деформации. При выборе конструкции матрицы для прессования материалов с малой технологической пластичностью важно обеспечить два условия: гидростатическое давление в очаге деформации должно быть возможно большим, а неравномерность пластического течения в пресс-изделии возможно меньшей. Первое условие обеспечивает вогнутый входной участок матрицы, второе - выпуклый обжимной участок матрицы. При этом профиль выпуклого обжимного участка мало влияет на давление прессования, но существенно сказывается на качестве поверхности вследствие поворота прессуемого металла при входе в калибрующий поясок. Исходя из теоретических представлений, важно обеспечить оптимальный профиль каждого участка рабочей поверхности матрицы.

Определить оптимальный профиль каждого участка рабочей поверхности предлагаемой матрицы 1 позволяет физическое моделирование посредством прессования малопластичного металла 2 с весьма малой скоростью деформации через модельную матрицу 3, имеющую плоскую рабочую поверхность, при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла (фиг. 1 и фиг. 2). Пластичный металл передней шайбы в процессе прессования собирается в застойной зоне 4. При малой, далеко за областью практического применения, скорости деформации, скольжение малопластичного прессуемого металла в условиях, близких к равновесным, осуществляется по самоорганизующейся границе застойной зоны и прессуемого металла. На фиг. 1 представлен макрошлиф осевого разреза в зоне матрицы при прессовании прутка 5 ∅25 мм из контейнера ∅100 мм (коэффициент вытяжки 16), на фиг. 2 - макрошлиф осевого разреза при прессовании прутка 6 ∅75 мм из контейнера ∅120 мм (коэффициент вытяжки 2,56). Самоорганизующаяся граница в сечении представляет кривую, которая с достаточным приближением описывается участками окружности, эллипса, гиперболы или параболы, а собственно поверхность, по которой происходит скольжение, является поверхностью 2-го порядка, образованной вращением этой кривой вокруг оси матрицы. При малой вытяжке (прессование прутка ∅70 мм из контейнера ∅100 мм с коэффициентом вытяжки 2) входной участок поверхности может иметь форму, близкую к конической.

Анализ профиля самоорганизующейся поверхности скольжения свидетельствует о следующем.

Высота вогнутого входного участка матрицы в пределах h_вx=(0,05-0,2)D, где D внешний диаметр матрицы, как правило, достаточна, чтобы обеспечить необходимое гидростатическое давление в очаге деформации и целостность металла при прессовании. Меньшие значения h_вx соответствуют большей вытяжке.

Высота выпуклого обжимного участка матрицы в пределах h_o=(0,035-0,35)D обеспечивает достаточное снижение деформации простого сдвига при обжатии в канале матрицы и равномерность пластического течения в пресс-изделии. При уменьшении технологической пластичности прессуемого металла высота обжимного участка h_о должна соответствовать большим значениям. При большей вытяжке высота обжимного участка также должна увеличиваться для снижения неравномерности деформации в канале матрицы.

Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков в пределах h_вx+h_o=(0,15-0,55)D достаточна для обеспечения двух предыдущих условий и ограничивает общую высоту матрицы.

Диаметр окружности в точке сопряжения входного и обжимного участков в соотношении d_c=d+(0,1÷0,6)×(D-d), где d - диаметр калибрующего пояска, определяется оптимальным соотношением высоты входного и обжимного участков матрицы.

Угол наклона касательной в начале входного участка от 20° до 75° выбран в пределах реально применяемых углов. В верхней части матрицы, как правило, выполняется притупление до 2-х мм, предотвращающее повреждение острой кромки при прессовании.

Угол наклона касательной в точке сопряжения входного и обжимного участков к плоскости поперечного сечения пресс-изделия в пределах от 0,5° до 60° определяются оптимальной формой сопряжения входного и обжимного участков рабочей поверхности матрицы.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1. Прессование прутка d25 мм из трудно деформируемого порошкового алюминиевого сплава САС-1-50 из контейнера D100 мм с коэффициент вытяжки 16.

Трехмерная изогнутая рабочая поверхность матрицы сформирована по реальной самоорганизующейся границе застойной зоны при прессовании сплава САС-1-50 с малой скоростью через плоскую матрицу при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла (фиг. 1).

Входной участок матрицы хорошо описывается вращением вокруг оси матрицы участка параболы y₁=x₁²/2р, фокус и вершина которой лежат на оси матрицы, где р - параметр параболы, равный 76,4 мм. Высота входного участка 13,8 мм (13,8% D).

Обжимной участок матрицы образован вращением вокруг оси матрицы участка эллипса у₂²=b²-b²/a²*х₂². Большая полуось эллипса a=4,99 мм, малая b=4,34 мм. Фокусы эллипса лежат на прямой, перпендикулярной оси матрицы, проходящей через начало калибрующего пояска. Левая вершина эллипса находится на его большой оси в начале калибрующего пояска, а ось у₂ эллипса отстоит от калибрующего пояска на расстоянии a=4,99 мм. Высота обжимного участка 4,33 мм (4,33% D).

Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков матрицы 18,13 мм (18% D).

Точка сопряжения входного и обжимного участков определена из равенства производных параболы и эллипса и имеет координаты х₂ = -1,21, y₂=4,33 мм. Диаметр окружности в точке сопряжения входного и обжимного участков d_c=32,5 мм. Угол наклона касательной к обеим кривым к плоскости поперечного сечения матрицы в точке сопряжения составляет 12°, а угол наклона касательной к параболе в точке В - 33°.

В общей системе координат X-Y, привязанной к базам матрицы:

Х=х₁; Y=y₁-y_1B; у_1B=15,69;

X=x₂-(d/2+a); Y=у₂-(у_2С+y_1B-y_1C); y_2C+y_1B-y_1C=4,33+13,8=18,13;

Рабочая поверхность 2-го порядка матрицы образована вращением участков параболы и эллипса и описывается в общей системе координат уравнениями параболы Y=X²/152,8-15,69 в пределах от точки В (48,98, 0) до точки С (16,28, -13,8) и далее эллипса в пределах от точки С (16,28, -13,8) до точки А (12,5, -18,13).

Качество поверхности прутка высокое.

Пример 2. Прессование прутка d75 мм из сплава САС-1-50 из контейнера D120 мм с коэффициентом вытяжки 2,56.

При формировании рабочей поверхности матрицы учтена реальная самоорганизующейся граница застойной зоны при прессовании сплава САС-1-50 с малой скоростью через плоскую матрицу при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла. Рабочая поверхность скорректирована из-за искажений реальной самоорганизующейся границы (фиг. 2).

Входной участок матрицы описывается вращением вокруг оси матрицы участка гиперболы у₁^2/b²-х₁²/a²=1. Уравнение гиперболы рассчитано с помощью программы MathLab по реальным точкам на входном участке самоорганизующейся границе застойной зоны и прессуемого металла. Расстояние между мнимыми (2a) и действительными (2b) вершинами гиперболы при этом равны соответственно 20,2 и 34 мм. Высота входного участка 10,7 мм (9% D).

Обжимной участок матрицы образован вращением вокруг оси матрицы окружности y₂²=R²-х₂². Центр окружности лежит на прямой, перпендикулярной оси матрицы, проходящей через начало калибрующего пояска. Радиус окружности R=8 мм. Высота обжимного участка 7,3 мм (6% D).

Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков матрицы 18 мм (15% D).

Угол наклона касательной к гиперболе и окружности к плоскости поперечного сечения матрицы в точке сопряжения составляет 15°, угол наклона касательной в начале входного участка β - 62° а диаметр окружности в точке сопряжения d_c=d+0,2×(D-d)=84 мм.

Рабочая поверхность матрицы представляет поверхность 2-го порядка, образованную вращением участков гиперболы и окружности, и описывается в общей системе координат уравнениями гиперболы в пределах от точки В (59.5, 0) до точки С (42; -10,7) и далее окружности в пределах от точки С (42; -13,6) до точки А (37.5; -18).

Качество поверхности прутка высокое.

Пример 3. Прессование прутка d18 мм из сплава САС-1-50 из контейнера D75 мм с коэффициентом вытяжки ≈17,4.

Трехмерная изогнутая рабочая поверхность матрицы сформирована согласно формуле изобретениях (фиг. 3).

Начальные условия для построения рабочей поверхности матрицы:

- входной участок матрицы сформирован вращением вокруг оси матрицы участка эллипса 1 x₁²/a²+y₁²/b²=l, большая ось которого перпендикулярна оси матрицы и проходит выше верхней плоскости матрицы на 10,6 мм, малая - параллельна оси матрицы, параметры а и b эллипса и смещение малой оси относительно оси матрицы с выбраны соответственно 38,4, 23.2 и 2,8 мм, исходя из условий обеспечения необходимой глубины входного участка и угла наклона касательной к плоскости поперечного сечения матрицы, точка пересечения эллипса 1 с верхней плоскостью матрицы (точка В) имеет координату Х=34,5 (D/2-1) мм, а уравнение эллипса 1, приведенное к базе матрицы, имеет вид

- обжимной участок матрицы сформирован вращением вокруг оси матрицы участка эллипса 2 х₂²/а²+у₂²/b²=1, малая ось которого перпендикулярна оси матрицы, большая - параллельна оси матрицы, вершина малой оси эллипса 2 совпадает с началом калибрующего пояска (точка А) с координатой Х=9 мм, параметры а и b эллипса соответственно 11 и 18,95 мм выбраны, исходя из условий обеспечения необходимой глубины входного участка, а уравнение эллипса 1, приведенное к базе матрицы, имеет вид

Рабочая поверхность 2-го порядка матрицы, образованная вращением участков эллипса 1 и эллипса 2, построена с помощью стандартной программы Autodesk, при этом координаты точки сопряжения эллипсов в общей системе координат Х_С=18,3, Y_С = -10,6 мм, а угол ас наклона общей касательной к эллипсам 1 и 2 составляет 13°. Суммарная высота вогнутого входного и выпуклого обжимного участков матрицы 29,3 мм (39% D).

Качество поверхности прутка высокое.

Пример 4. Прессование прутка 7 d70 мм из сплава САС-1-50 из контейнера D100 мм с коэффициентом вытяжки ≈2.

Трехмерная изогнутая рабочая поверхность матрицы близка к реальной самоорганизующейся границе застойной зоны при прессовании сплава САС-1-50 с малой скоростью через плоскую матрицу при наличии перед прессуемой заготовкой передней шайбы из пластичного металла (фиг.4).

Входной участок матрицы с достаточным приближением описывается вращением вокруг оси матрицы отрезка прямой Y=kX+b, проходящей через точку В, имеющей абсциссу Х=49 мм в случае притупления 1 мм, и угол наклона к плоскости поперечного сечения матрицы 40°.

Обжимной участок матрицы, как и в примере 2, образован вращением вокруг оси матрицы участка окружности у₂²=R²-х₂² радиусом 6 мм, с центром на прямой, перпендикулярной оси матрицы, проходящей через начало калибрующего пояска (точка А с координатой X_A=35 мм).

Простой расчет позволяет определить высоту обжимного участка 4,6 мм (4,6% D), входного участка 9,95 мм (≈0,1 D) и координаты точки сопряжения входного и обжимного участков: Х_С=37,14, Y_C = -9,95 мм. Суммарная высота входного и обжимного участков составит 14,55 мм (≈15% D).

Рабочая поверхность матрицы 2-го порядка описывается в общей системе координат уравнениями прямой Y=0,84X-41,1 в пределах от точки В (49; 0) до точки С (37,14, -9,95) и далее окружности в пределах от точки С (37,14, -9,95) до точки А (35, -14,55).

Качество поверхности прутка удовлетворительное.

При несоблюдении соотношений на поверхности прутков наблюдались надрывы (фиг. 5) или волнистость (фиг. 6).

Таким образом, техническим результатом предложенного является повышение качества поверхности пресс-изделий из недостаточно пластичных в условиях термодинамического цикла прессования алюминиевых сплавов, в т.ч. эвтектических и заэвтектических силуминов, а также повышение технологичности прессования за счет снижения отходов.