Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при производстве изделий из порошковых материалов, в частности топливных таблеток для атомных реакторов, химической и других отраслях промышленности.

Известно устройство для электроимпульсного прессования порошка, описанное в патенте на полезную модель №188873, опубликовано 25.04.2019, «Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов». Это устройство включает в себя импульсный источник энергии, нагружающее устройство, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала (оксинитрид алюминия-кремния SiAlON), верхний подвижный пуансон с верхней опорой расположенный под штоком, нижний неподвижный пуансон с нижней опорой, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижней плите.

Устройство работает следующим образом. Порошок электропроводного материала, заключенный в керамическую матрицу и зажатую в металлическую обойму, поджимается пуансонами сверху и снизу. Давление Р к верхнему пуансону прикладывается от нагружающего устройства через шток. После чего, от импульсного источника тока на засыпку порошка подают импульс тока. Импульс разрядного тока, протекая через поджатый порошок, разогревает его. За счет приложенного давления происходит уплотнение засыпки и получается плотный образец.

Однако при извлечении полученного образца из матрицы возникают определенные затруднения. Требуется перенести матрицу с полученным образцом в ручной пресс и в нем выпрессовать готовый образец. Это занимает определенное время.

Решением, наиболее близким предложенному по технической сущности и достигаемому эффекту, является устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов (патент на полезную модель №196265, от 06.12.2019, «Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов»). Это устройство включает в себя импульсный источник энергии, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний подвижный пуансон с верхней опорой расположенный под штоком, нижний неподвижный пуансон с нижней опорой, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки подпружинены и имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижней плите. Кроме того, на одной из двух направляющих вставлена втулка с закрепленным на ней полым металлическим цилиндром толщиной стенки 5÷8 мм с перевернутым основанием с прорезью в нем и боковой части для прохождения нижнего пуансона, при этом металлический цилиндр имеет возможность устанавливаться на нижнем основании, причем высота цилиндра h равна 0,9 l < h < 1,5 l, где l - высота матрицы, внешний диаметр цилиндра D равен диаметру основания, а ширина прорези b равна 1,1d < b < 1,5 d, где d диаметр пуансона.

Такая конструкция устройства позволяет после проведения процесса электроимпульсного прессования подвести под матрицу цилиндр и верхним пуансоном и выдавить полученный образец с нижним пуансоном. Однако для выдавливания полученного образца необходимо предварительно поднять вверх пуансоны с матрицей, чтобы подвести под нее цилиндр, что весьма затруднительно, так этот процесс производится вручную. Затем необходимо снять с нижнего пуансона нижнюю опору, что вызывает значительные усилия из-за плотной посадки хвостовика пуансона в опоре.

В связи с этим, важнейшей задачей является разработка нового устройства, позволяющее упростить и ускорить процесс извлечении полученного образца из матрицы при электроимпульсном прессования порошковых материалов в многоразовой матрице и тем самым сократить время получения готового изделия.

Техническим результатом заявленного устройства является создание нового изделия, обеспечивающего с помощью электроимпульсного прессования получения образцов с необходимыми характеристиками и значительным сокращением технологического времени на их выпрессовку из матрицы.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электроимпульсного прессования порошковых материалов, включающее импульсный источник энергии, нагружающее устройство, металлическую обойму с керамической матрицей из изолирующего материала, верхний подвижный пуансон с верхней опорой расположенный под штоком, нижний неподвижный пуансон с нижней опорой, установленный на нижнем основании, пластину с двумя втулками, на которой закреплена обойма с матрицей, причем втулки имеют возможность скользить вертикально вдоль направляющих, установленных на нижней плите, согласно изобретению, верхняя и нижняя опора выполнены в виде стаканов, в дно которых вставлены соответственно верхний и нижний пуансоны с фаской на боковой поверхности хвостовика для фиксации их стопорными винтами, расположенными в боковых частях опор, причем верхняя опора надета на торец штока и закреплена на нем с помощью стержня, проходящего сквозь соосные отверстия в штоке и верхней опоре, а нижняя опора надета на нижнее основание и закреплена на нем с помощью стержня, проходящего сквозь соосные отверстия в нижнем основании и нижней опоре, в боковых частях втулок установлены болты для крепления матрицы с металлической обоймой на направляющих, выполненных дополнительно с прямоугольным пазом, при этом высота рабочей части верхнего пуансона равна высоте матрицы, а на верхнюю опору и пластину с втулками надета скоба п-образной формы с вырезами полукруглой формы под обойму для матрицы с одной стороны и верхней опоры с другой стороны на торцевых частях скобы, высотой равной сумме высоты матрицы и длины верхнего пуансона, обеспечивающими ее закрепление за верхнюю опору и пластину с матрицей.

Такая усовершенствованная конструкция устройства позволяет после проведения процесса электроимпульсного прессования поднять вверх матрицу с верхним пуансоном с помощью штока и скобы п-образной формы, а не вручную. Нижний пуансон при этом выдергивается из матрицы и остается в нижней опоре на нижнем основании и в дальнейшем не препятствует извлечению полученного образца. После этого необходимо зафиксировать матрицу с обоймой на направляющих в верхнем положении, а затем верхним пуансоном и выдавить полученный образец. Толщина стенок стаканов 5÷10 мм, их высоты внутренней части 10÷20 мм и диаметр сквозных соосных отверстий 8÷12 мм вместе со стержнями такой же величины, являются оптимальными размерами, обеспечивающими надежное и прочное закрепление верхней опоры к торцу штока, а нижней опоры к нижнему основанию. Болты с резьбой 10÷12 мм в боковых частях втулок на направляющих с пазом шириной равной диаметру болта и глубиной 5÷8 мм, также являются оптимальными размерами, обеспечивающими надежное и прочное закрепление матрицы с обоймой на направляющих. Паз на направляющих необходим, чтобы увеличить площадь соприкосновения болта с направляющей и не сминать шлифованную поверхность самой направляющей. При высоте рабочей части верхнего пуансона меньше высоты матрицы невозможно было бы полностью выдавить полученный образец. Скоба п-образной формы, с вырезами полукруглой формы под обойму для матрицы с одной стороны и верхней опоры с другой стороны на торцевых частях скобы, высотой равной суме высоты матрицы и полной длины верхнего пуансона, обеспечивает ее закрепление за верхнюю опору и пластину с матрицей, что при других размерах это было бы не возможно. Стопорные винты с резьбой диаметром 4÷6 мм в боковой части опор полностью обеспечивают надежное закрепление пуансонов в опорах, что необходимо при поднятии вверх штока с матрицей.

Это позволяет легко вынуть нижний пуансон из матрицы, а верхним пуансоном выдавить полученный образец, что значительно сокращает время на получения готового изделия.

На фиг. 1 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов.

На фиг. 2 представлены верхняя опора, выполненная в виде стакана, болты во втулках на направляющих и скоба п-образной формы.

На фиг. 3 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов при поднятии матрицы в верхнее положение для выпрессовки полученного образца.

На фиг. 4 представлено устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов при выпрессовки полученного образца.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой показано устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов. Оно включает импульсный источник энергии 1, верхний подвижный пуансон 2 и нижний неподвижный пуансон 3. Нижний пуансон 3 вставлен в нижнюю опору 4, которая помещена на нижнее основание 5, соединенная с нижней плитой 6 резьбовым соединением. Верхний подвижный пуансон 2 вставлен в верхнюю опору 7 в виде стакана с дном и электрически изолирован от нижнего пуансона 3 изолирующими втулками 8, надетыми на крепление стойки 9. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от нагружающего устройства 10 (пневмопресса) через шток 11, которые изолированы друг от друга неэлектропроводной прокладкой 12. Электропроводный порошок 13 помещают в керамическую матрицу 14, зажатую в металлическую обойму 15. На нижней плите 6 установлены двое направляющих 16 и 17 с упругими кольцами 18 и 19, на которые надеты втулки 20 и 21, соединенные с пластиной 22. Эта пластина соединена с металлической обоймой 15. Верхняя опора 7 надета на торец штока 11 и закреплена на нем с помощью стержня с головкой 23, проходящий сквозь соосные отверстия в штоке и верхней опоре. Нижняя опора 4 надета на нижнее основание 5 и закреплена на ней с помощью стержня с головкой 24, проходящий сквозь соосные отверстия в нижнем основании и нижней опоре. Во втулки 20 и 21 вкручены болты 25 и 26, которые позволяют фиксировать матрицу с порошком на направляющих на требуемой высоте. Верхний подвижный пуансон 2 и нижний неподвижный пуансон 3 закреплены в нижней и верхней опорах стопорными винтами 27 и 28 соответственно.

Устройство работает следующим образом. В матрицу 14, зажатую в обойму 15, снизу вставляется нижний пуансон 3 закрепленный в нижней опор 4, которая помещается на нижние основание 5 и засыпается порошок электропроводного материала 13 (фиг. 1). Затем в нее вставляется верхний пуансон 2 с верхней опорой 7. Вся эта сборка вставляется в пластину 22 на нижнее основание 5. В верхнею опору 7 соосно со штоком 11 вставляется стержень с головкой 23 (фиг. 2) и порошок поджимается. Давление Р к верхнему пуансону 2 прикладывается от пневмопресса 10 через шток 11. Включается импульсный источник энергии 1, в нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника 1 через поджатый порошок 13, который разогревает его. В этот промежуток времени верхний подвижный пуансон 2, являющийся продолжением штока 9 от пневмопресса 10, совершает перемещение вниз. Обойма 15 вместе с матрицей 14 и засыпкой порошка 13, также начинают двигаться вниз, происходит его уплотнение.

Теперь необходимо извлечь полученный образец из матрицы. Для этого надеваем скобу 29 п-образной формы (фиг. 2), с вырезами полукруглой формы под обойму для матрицы с одной стороны и верхней опоры с другой стороны на торцевых частях скобы, на верхнюю опору. С помощью пневмопресса 10 поднимаем вверх шток 9 (фиг. 3). Матрица 14 вместе с полученным образцом в обойме 15 по направляющим 16 и 17 также приподнимается в верх. При этом нижний пуансон выходит из матрицы остается в нижней опоре на нижнем основании и не препятствует выдавливанию образца. С помощью болтов 24 и 25 зажимаем втулки 20 и 21 на направляющих 16 и 17 и тем самым фиксируем матрицу 14 в верхнем положении.

Затем производим выпрессовку полученного изделия. Для этого снимаем скобу 29 и начинаем опускать шток 11 вниз, верхний пуансон 2 также опускается вниз и выдавливает полученный образец из засыпки 13 (фиг. 4).

Такая конструкция предложенной установки позволяет перед выпрессовкой извлечь нижний пуансон из матрицы и не требует поднимать матрицу с образцом вручную и снимать с нижнего пуансона нижнюю опору. Это существенно сокращает время изготовления образца с необходимой плотностью.

Предлагаемое устройство было опробовано при получении таблеток из различных материалов необходимой плотности. Для нитрида циркония это порядка 95÷98% от теоретической плотности. Для Cu + 0,45% Al₂O₃ это порядка 97÷98% от теоретической плотности. Для вольфрамовых псевдо сплавов ВНЖ, ВНЖК это порядка 95÷99% от теоретической плотности. Были получены образцы в количестве 15÷19 штук за один час. В тоже время на известной установке можно было изготовить изделий порядка 6 штук.

Таким образом, применение описанного устройства для электроимпульсного прессования порошковых материалов позволяет повысить производительность труда более чем в 2,5 раза.