Устройство для прессования с активным действием сил трения

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к устройствам для прессования материалов. Устройство содержит контейнер, полый пресс-штемпель с установленной на нем матрицей и подвижную траверсу, на которой жестко установлен цилиндр подпора, на плунжере которого закреплен пресс-штемпель. Пресс-штемпель выполнен составным из сплошной цилиндрической части, закрепленной на плунжере цилиндра подпора, и полой втулки пресс-штемпеля с цилиндрической частью, которая закреплена на крышке цилиндра подпора. Длина втулки пресс-штемпеля составляет от 0,1 до 0,4 длины контейнера. Отношение толщины стенки цилиндрической части втулки пресс-штемпеля к внутреннему диаметру контейнера составляет от 0,1 до 0,2. Крышка цилиндра подпора закреплена на подвижной траверсе и взаимодействует с контейнером. В центральной части крышки выполнено сквозное отверстие и цилиндрический уступ большего диаметра. Внутренняя полость втулки пресс-штемпеля, обращенная к матрице, имеет конический участок с углом наклона образующей к оси от 30° до 60°. Отношение толщины торцевой части втулки пресс-штемпеля с коническим участком к толщине цилиндрической части втулки составляет от 0,3 до 0,5. В результате обеспечивается возможность гибкого управления процессом экструдирования металла и получения изделий с равномерным распределением механических свойств по длине и сечению изделий либо с заранее заданным распределением их по длине изделий. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к устройствам для прессования материалов.

Известно устройство аналогичного назначения (Авторское свидетельство СССР №296610, кл. В 21 С 27/00, 1971), содержащее контейнер с полостью переменного сечения в направлении движения контейнера со скоростью, большей скорости пресс-штемпеля, и матрицу, установленную в полости контейнера со стороны большего ее диаметра.

Недостатками этого устройства являются большие потери металла, идущего при прессовании в пресс-рубашку между матрицей и стенкой контейнера, а также необходимость в трудоемкой операции удаления этой рубашки.

Известно также устройство для прессования материалов (Авторское свидетельство СССР №993517, кл. В 21 С 27/00, 1981), содержащее контейнер, установленный с возможностью перемещения в направлении движения пресс-штемпеля со скоростью, большей скорости пресс-штемпеля, и имеющий полость переменного сечения и матрицу, установленную в полости со стороны большего диаметра, полость контейнера выполнена из двух цилиндрических участков, соединенных переходным коническим участком, причем отношение площадей поперечных сечений большего и меньшего цилиндрических участков составляет от 1,6 до 1,8, отношение длин этих участков равно от 1,2 до 1,6, а угол наклона образующей переходного конического участка к оси равен от 60° до 80°.

Недостатком известного устройства следует признать большую сложность операции по отделению пресс-остатка, возникающую по причине переменного сечения полости контейнера. Такое устройство контейнера не позволяет отделить пресс-остаток традиционным способом, который состоит из следующих операций: по завершении прессования происходит отвод пресс-штемпеля, затем за счет движения контейнера навстречу матрице производят выталкивания пресс-остатка из полости контейнера, после этого с помощью ножа отделяют пресс-остаток от матрицы.

Известно устройство (патент RU 2105621, 1993), позволяющее экструдировать металл с активным действием сил трения (прототип). Устройство содержит жестко закрепленные на станине переднюю поперечину и заднюю поперечину с неподвижно закрепленными на ней главным силовым цилиндром и цилиндрами перемещения контейнера, сообщающимися с магистралями высокого и низкого давления, дросселирующее устройство, связывающее магистраль высокого давления с цилиндрами перемещения контейнера, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси станины и расположенные соосно пресс-штемпель, связанный с плунжером главного силового цилиндра, контейнер и полый пресс-штемпель, закрепленный на передней поперечине, отличающийся тем, что на плунжере главного цилиндра жестко закреплена траверса, на которой размещен дополнительный цилиндр, на плунжере которого закреплен пресс-штемпель, дополнительный цилиндр гидравлически связан с дросселирующим устройством, выполненным в виде, по меньшей мере, одного стабилизирующего цилиндра, состоящего из цилиндрического корпуса с размещенным в нем плунжером, причем один из указанных элементов стабилизирующего цилиндра закреплен на задней поперечине, а другой элемент жестко соединен с траверсой, при этом внутренняя полость стабилизирующего цилиндра сообщается с внутренней полостью дополнительного цилиндра.

Недостатком известного устройства является то, что эффективность процесса, осуществляемого на прессе данной конструкции, существенно зависит от условий взаимодействия контейнера с заготовкой посредством трения, т.е. величины реализации активного действия сил трения.

Также недостатком данного устройства следует признать незначительный объемный эффект действия сил трения, приводящий к локализации сдвиговой деформации в приграничных слоях прессуемой заготовки, что является причиной недостаточно равномерного течения металла а также недостаточно высоких скоростей прессования, и, как следствие, ухудшения качества изделий.

Недостатком известного устройства является то, что для эффективной реализации данного процесса необходимо жестко соблюдать соотношение температуры контейнера и заготовки во избежание эффекта «проскальзывания» контейнера относительно заготовки.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности гибкого управления процессом экструдирования металла для получения изделий с равномерным распределением механических свойств по длине и сечению изделий, либо с заранее заданным распределением их по длине изделий.

Технический результат достигается с помощью устройства для экструдирования металла, содержащем контейнер, полый пресс-штемпель с установленной на нем матрицей и подвижную траверсу с жестко установленным цилиндром подпора, на плунжере которого закреплен пресс-штемпель, при этом цилиндр подпора снабжен крышкой, пресс-штемпель выполнен составным из сплошной цилиндрической части, закрепленной на плунжере цилиндра подпора, и полой втулки пресс-штемпеля с цилиндрической частью, которая закреплена на крышке цилиндра подпора, причем длина втулки пресс-штемпеля составляет от 0,1 до 0,4 длины контейнера, а отношение толщины стенки цилиндрической части втулки пресс-штемпеля к внутреннему диаметру контейнера составляет от 0,1 до 0,2.

Кроме того, крышка цилиндра подпора установлена на подвижной траверсе с возможностью взаимодействия с контейнером, причем в ее центральной части выполнено сквозное отверстие и цилиндрический уступ большего диаметра.

Внутренняя полость втулки пресс-штемпеля, обращенная к матрице, имеет конический участок с углом наклона образующей к оси от 30° до 60°, а отношение толщины торцевой части втулки пресс-штемпеля с коническим участком к толщине цилиндрической части втулки составляет от 0,3 до 0,5.

На чертеже показан общий вид устройства для прессования с активным действием сил трения в осевом разрезе в процессе экструзии.

Составной пресс-штемпель 1 состоит из сплошной цилиндрической части 2, закрепленной на плунжере 3 цилиндра подпора, и полой цилиндрической втулки 4 пресс-штемпеля, которая крепится на крышке 5 цилиндра подпора.

Подвижная траверса 6, в которой размещен цилиндр подпора 7, взаимодействует с контейнером 8 через закрепленную на ней крышку цилиндра подпора. На задней поперечине пресса устанавливаются цилиндры стабилизации (на чертеже не показаны), полости которых соединены трубопроводом (на чертеже не показан) с полостью цилиндра подпора 7. Цилиндры стабилизации выполняют функцию дросселирующего устройства.

Полая цилиндрическая втулка 4 пресс-штемпеля входит в полость контейнера 8 на всю ее длину, равную от 0,1 до 0,4 длины контейнера 8. Отношение толщины стенки цилиндрической части втулки 4 к внутреннему диаметру контейнера 8 должно лежать в пределах от 0,1 до 0,2. При этом внутренней диаметр полой втулки 4 должен соответствовать внешнему диаметру рабочего пояска 9 сплошной цилиндрической части пресс-штемпеля 2.

С обратной стороны в полость контейнера 8 входит неподвижный полый пресс-штемпель 10, на конце которого установлена матрица 11.

Внутренняя полость втулки 4 пресс-штемпеля, обращенная к матрице 11, может иметь конический участок с углом наклона образующей к оси от 30° до 60°. Отношение толщины торцевой части втулки 4 пресс-штемпеля к толщине цилиндрической части этой втулки составляет от 0,3 до 0,5.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении плунжер 3 цилиндра подпора максимально выдвинут из корпуса 7 (на чертеже влево), а плунжеры цилиндров стабилизации находятся в крайнем правом положении, то есть максимально утоплены в свои корпуса.

Нагретую заготовку 12 подают на ось пресса. Затем обратным движением контейнера 8 (на чертеже вправо) заготовка помещается в контейнер, причем другой торец заготовки упирается в составной пресс-штемпель 1. При этом полый пресс-штемпель 10 полностью выходит из контейнера 8 и на него специальным устройством устанавливается матрица.

Далее подается жидкость высокого давления в главный силовой цилиндр пресса (на чертеже не показан) и траверса 6 совершает небольшой холостой ход, при этом крышка 5 цилиндра подпора соприкасается с контейнером 8, и все указанные подвижные элементы начинают двигаться с одинаковой скоростью влево. Начинается процесс прессования. При движении траверсы 6 влево она тянет за собой плунжеры цилиндров стабилизации (на чертеже не показаны), при этом в цилиндрических корпусах этих цилиндров постепенно освобождается пространство. Поскольку через заготовку 12 на составной пресс-штемпель 1 передается давление, а он, в свою очередь, посредством сплошной части пресс-штемпеля 2 передает его на плунжер цилиндра подпора, то жидкость из внутренней полости 13 цилиндра подпора перетекает в освобождающиеся полости стабилизирующих цилиндров.

Цилиндры стабилизации выполняют функции дросселирующего устройства. При этом происходит равномерное утапливание плунжера 3 цилиндра подпора, а, следовательно, наблюдается отставание сплошной цилиндрической части 2 пресс-штемпеля от движения контейнера и полой втулки 4 пресс-штемпеля.

Скорость V_R движения сплошной части 2 пресс-штемпеля в это время определяется как разность скорости V_B перемещения траверсы 6 и скорости V_A перемещения плунжера 3 цилиндра подпора.

V_R=V_B-V_A,

где V_B - скорость перемещения траверсы 6;

V_A - скорость перемещения плунжера 3 цилиндра подпора.

Скорость V_C движения контейнера 8 равна скорости V_B движения траверсы 6. Скорость V_B передвижения траверсы 6 и скорость V_A утапливания плунжера 3 цилиндра подпора направлены в противоположенные стороны. Поэтому величина кинематического коэффициента K_W, определяемая как V_C/V_R, в данном случае будет вычисляться как частное от деления скорости V_B траверсы 6 на разность скоростей перемещений траверсы V_B и плунжера цилиндра подпора V_A.

K_W-V_C/V_R=V_B/(V_B-V_A),

где K_W - кинематический коэффициент;

V_C - скорость перемещения контейнера;

V_R - скорость перемещения сплошной части пресс-штемпеля;

V_B - скорость перемещения траверсы;

V_A - скорость перемещения плунжера дополнительного цилиндра.

Такая величина K_W соотношения V_C/V_R скоростей перемещения контейнера V_C и пресс-штемпеля V_R автоматически поддерживается на всем протяжении рабочего цикла прессования.

Таким образом обеспечивается наведение контейнером 8 на боковой поверхности заготовки 12 сил трения активного течения, направленных в сторону истечения металла, а кроме того торцевая часть полой втулки 4 пресс-штемпеля, двигаясь вместе с контейнером, создает дополнительный интенсивный периферийный поток металла, опережающий поток, создаваемый сплошной частью 2 пресс-штемпеля.

По достижении заданной величины пресс-остатка перемещение траверсы 6 прекращают, а следовательно, прекращается движение контейнера 8 и полой втулки 4 пресс-штемпеля. Одновременно в полость 13 цилиндра подпора подают жидкость высокого давления, при этом плунжер 3 цилиндра подпора начинает двигаться влево, поэтому процесс прессования осуществляется только сплошной цилиндрической частью 2 пресс-штемпеля. Таким образом, небольшая часть заготовки допрессовывается в режиме прямого прессования, вплоть до выхода рабочего пояска 9 на границу конического участка полой втулки 4.

По окончании операции прессования подвижная траверса 6 возвращается в исходное (правое) положение. После этого или одновременно с отводом траверсы 6 продолжается небольшое движение контейнера 8 влево до упора в ограничитель хода контейнера (на чертеже не показан), при этом пресс-остаток выходит из полости контейнера 8. Ножом (на чертеже не показан) пресс-остаток отделяют от матрицы 11. Далее убирают ограничитель хода контейнера, и контейнер 8 сдвигают до упора в переднюю поперечину (на чертеже не показана), при этом матрица 11 выходит из контейнера 8 со стороны траверсы 6, после чего она снимается с полого пресс-штемпеля 10. Далее цикл может быть повторен.

Данное устройство для экструдирования металла с активным действием сил трения позволяет создать за счет полой втулки пресс-штемпеля дополнительный интенсивный периферийный поток металла, опережающий центральный поток, создаваемый сплошной частью пресс-штемпеля. Такая схема прессования в значительно меньшей степени зависит от условий взаимодействия контейнера с заготовкой, а следовательно, от величины реализации активного действия сил трения. Такие условия прессования позволяют с высокой эффективностью использовать заготовки с градиентным нагревом по длине, а также устанавливать температуру заготовки и контейнера в более широком диапазоне.

Патентуемое устройство дает возможность гибко управлять процессом экструдирования металла с целью получения изделий с равномерным распределением механических свойств по длине и сечению изделий, либо с заранее заданным распределением их по длине изделий.

Выбранная длина полой втулки пресс-штемпеля обуславливается рациональным значением кинематического коэффициента K_W, постоянным или переменным по ходу процесса, определенного экспериментальным путем и находящегося в пределах от 1,1 до 1,4.

Установлено, если соотношение V_C/V_R скоростей контейнера и пресс-штемпеля превосходит 1,4, то наблюдается чрезмерный сдвиг контейнера 8 относительно заготовки 12. Это обстоятельство вызывает ускоренное течение периферийных слоев металла, что, в свою очередь, ведет к повышенному разогреву этих слоев и приводит к ухудшению теплоотвода из обжимающей части пластической зоны заготовки 12. Это требует снижения скорости прессования. Кроме того, повышение температуры периферийных слоев металла приводит к снижению сопротивления деформации, а это, в свою очередь, ведет к локализации сдвиговой деформации по сечению заготовки и ограничивает тем самым объемный эффект прессования в режиме использования активного действия сил трения. Это приводит к необходимости снижать скорость прессования.

Кроме того, выбор чрезмерно большого соотношения V_C/V_R скорости V_C перемещения контейнера 8 к скорости V_R перемещения пресс-штемпеля 1 (более 1, 4) требует или уменьшения исходной длины заготовки 12, что естественно приводит к снижению производительности пресса, или увеличения длины контейнера 8, что повышает металлоемкость конструкции пресса и, следовательно, приводит к его удорожанию.

Использование в процессе экструзии соотношение скоростей V_C/V_R контейнера 8 и пресс-штемпеля 1 ниже оптимальных значений К_W<1,1 приводит к локализации сдвиговой деформации только в приграничном слое заготовки 12, что снижает объемный эффект действия сил трения. Это приводит к неравномерности течения металла и снижает допустимый уровень скорости экструдирования, ведет к ухудшению качества изделий.

Поэтому для реализации данной схемы прессования длина втулки должна составлять от 0,1 до 0,4 длины контейнера.

Выбранное отношение толщины стенки цилиндрической части полой втулки 4 к внутреннему диаметру контейнера 8 определено на основе экспериментов и модельных исследований, которые показали, что если это отношение будет менее 0,1, то не исключено разрушение полой втулки. При этом периферийный поток металла, создаваемый в процессе прессования, окажется слишком мал для достаточного выравнивания скоростей течения металла по сечению заготовки, что неизбежно приведет к неравномерному распределению деформации по длине и сечению изделия, а следовательно, к неравномерности механических свойств последнего и снижению скорости прессования.

В случае же превышения верхнего предела указанного соотношения (0,2), процесс будет осуществляться в большей степени за счет перемещения контейнера с полой втулкой пресс-штемпеля, то есть практически в режиме обратного прессования.

Конструкция дополнительно установленной крышки цилиндра подпора, закрепленной на подвижной траверсе, позволяет установить на ней полую втулку пресс-штемпеля, которая может двигаться вместе с подвижной траверсой независимо от сплошной части пресс-штемпеля.

Конический участок полой втулки пресс-штемпеля предотвращает образование зоны затрудненной деформации, которая появляется в заготовке у торцевой части полой втулки пресс-штемпеля, а также способствует увеличению объемного действия интенсивного периферийного потока металла внутри прессуемой заготовки.

Выполнение угла наклона образующей конической поверхности втулки к оси менее 30° приведет к неоправданному увеличению пресс-остатка. Если величина этого угла превысит 60°, то произойдет нежелательное образование зон затрудненной деформации.

Выбранное соотношение толщины торцевой части полой втулки 4 к толщине цилиндрической части полой втулки 4 определено из следующих условий. Если это соотношение будет меньше 0,3, то произойдет быстрое разрушение торцевой части полой втулки 4. В случае превышения верхнего предела указанного соотношения (0,5), в заготовке у торцевой части полой втулки 4 будет образовываться зона затрудненной деформации.

1. Устройство для экструдирования металла, содержащее контейнер, полый пресс-штемпель с установленной на нем матрицей и подвижную траверсу с жестко установленным цилиндром подпора с крышкой и плунжером, на котором закреплен пресс-штемпель, отличающееся тем, что пресс-штемпель выполнен составным из сплошной цилиндрической части и цилиндрической втулки, закрепленной на крышке цилиндра подпора, длина цилиндрической втулки составляет от 0,1 до 0,4 длины контейнера, отношение толщины стенки упомянутой втулки к внутреннему диаметру контейнера составляет от 0,1 до 0,2, а на плунжере цилиндра подпора закреплена сплошная цилиндрическая часть пресс-штемпеля.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крышка цилиндра подпора закреплена на подвижной траверсе и взаимодействует с контейнером, причем в ее центральной части выполнено сквозное отверстие с цилиндрическим уступом большего диаметра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в полости цилиндрической втулки пресс-штемпеля со стороны матрицы выполнен конический участок с углом наклона образующей к оси от 30 до 60°, а отношение толщины торцевой части с коническим участком указанной втулки к ее толщине составляет от 0,3 до 0,5.