CZ2010142A3 - Zpusob uhlového protlacování se zkrutem - Google Patents

Abstract

Technologie protlacování materiálu se zkrutem, kdy je vzorek (2) vložen do vstupního otvoru (3) vertikálního kanálu, kde je prutlacníkem (1) posouván ke zkroucené cásti (7) kanálu. Za touto cástí (7) kanálu následuje ve vzdálenosti (B) ohyb (8) kanálu definovaný polomery (R1, R2), na který navazuje horizontální cást (6) kanálu. Horizontální cást (6) kanálu je ukoncena výstupním otvorem (4), jehož rozmery jsou totožné s rozmery vstupního otvoru (3). Behem celého procesu protlacování zustávají rozmery protlacovaného vzorku (2) stejné, címž je možné dosáhnout opakovatelnosti celé technologie na stejném vzorku.

Description

Způsob úhlového protlačování se zkrutem

Oblast techniky

Vynález se týká oblasti tváření materiálů, zvyšování užitných vlastností materiálů.

Dosavadní stav techniky

Technicky lze uvést, že technologie ECAP (equal channei angular pressing ) tzn. úhlové protlačování, je v současnosti řešena využitím matric, buď dělených nebo vyrobených z jednoho kusu. Matrice bývají umístěny v pouzdrech, které umožňují jejich použití v případě dělených matric a zároveň splnění napěťových nároků plynoucích z technologie samotné. V matricích je vytvořena dutina (kanál) s konstantním průřezu po celé její délce. Tato dutina je složena ze dvou části, které na sebe vzájemně navazují. Návaznost obou částí je řešena ohybem dutiny, přičemž poloha první části dutiny je vůči druhé vymezena úhlem Φ. Tento může nabývat teoreticky hodnot v rozmezí 0+180 ·. Nejlepší výsledky z hlediska dosažených finálních mechanických vlastností jsou zjištěny při použiti úhlu v rozmezí 90 + 125’. Pro materiály s nižším deformačním odporem lze využít matrici s úhlem 90°, nicméně některé materiály zejména s vysokým deformačním odporem ( taktéž materiály s vysokým bodem tání) díky svým materiálovým vlastnostem vyžadují užití matric s úhly vyššími než 90°.

Při samotné technologii je materiál vkládán (přiváděn) do první části kanálu a dále pak protlačován působící silou skrze vytvořenou dutinu v matrici. V momentě kdy protlačovaný materiál dospěje ke konci první části kanálu (tj. k ohybu, jenž spojuje první část kanálu s druhou části) je díky úhlu sklonu obou částí kanálu (Φ) přinucen změnit vektor svého pohybu. Tato změna směru toku materiálu na poměrně krátké vzdálenosti, jejíž délka je dána především poloměrem ohybu, umožňuje vyvolat v materiálu v místě ohybu smykovou deformaci. Smyková deformace je hlavní parametr zjemňování zrn, tj. vzniku ultra-jemnozrnné struktury. Proces je díky konstrukčnímu provedení matrice opakovatelný. To znamená, že se rozměry protlačovaného materiálu nemění a je umožněno zvyšovat jeho užitné vlastnosti.

Velikost vzniklé smykové deformace je dána jednak úhlem Φ a dále taktéž i dalšími faktory. Mezi tyto lze řadit rychlost protlačování, velikost tření vzniklého na stykových plochách mezi protlačovaným materiálem a stěnami kanálu. Vložená deformace do materiálu při protlačování je • * · v «· ·· * • »··· · · ·4 • » · 4«· • · · 4 · · ·· ♦ · 4 4 4··· 4 · ·44 jedním z rozhodujících faktorů při zvyšování finálních vlastností takto tvářených materiálů. Průměrná velikost vložené deformace za jeden průchod se pohybuje u současných konstrukčních provedení v rozmezí -0,9-1,2. Jelikož jsou výsledné vlastnosti každého materiálu odrazem jeho struktury, platí relace mezi průměrnou velikostí zrna a dosaženými mechanickými vlastnostmi.

Homogenita vkládané deformace pň ECAP je tedy úměrná počtu průchodů skrze matrici. To je jedna z nevýhod této technologie, neboť při požadavku vyšší hodnoty vložené deformace je nutno zvýšit počet průchodů skrze matrici. Dalším z negativ tohoto procesu je i fakt, že vkládaná deformace v závislosti na úhlu Φ , velikosti tření či rychlosti protlačování je vždy do určité míry nehomogenní po průřezu takto zpracovávaného materiálu,

V současnosti používané techniky protlačování se dají dělit dle více hledisek. Klasické protlačování lze rozdělit na dopředně a zpětné. Pň těchto způsobech je rozhodující vzájemný směr toku materiálu a daného průtlačniku, který oba typy rozlišuje. Toto se uskutečňuje především v kontejnerech, kde je vkládán materiál, jehož teplota je zvolena dle jeho materiálových vlastností. Je třeba uvést, že při dopředném i zpětném protlačování dochází vždy ke změně tvaru respektive rozměrů tvářeného materiálu. Tento druh protlačování je nespojitým procesem, tudíž výsledná délka takto získaného materiálu je závislá na objemu materiálu v kontejneru. Tímto způsobem se dají vyrábět zejména profily, ozubená kola, výrobky speciálních tvarů. Mezi hlavní nevýhody patří zmiňovaná nespojitost technologie (možnost zpracování jen určitého objemu materiálu), spolu s nutnými ztrátami materiálu danými samotnou technologií (zbytek který nelze vytlačit z kontejneru). Další nevýhodou je získání mikrostruktury s poměrně velkými zrny. Toto spolu stím, že velikost vložené deformace je omezena pouze jediným průchodem ) redukcí průřezu kontejneru na vstupní a výstupní straně, řadí mezi technologie určené pro přípravu materiálů běžných mechanických a fyzikálních vlastností. Jako limitující faktor technologie lze označit i nutné změny tvaru tzn. rozměrů.

Další skupinou protlačování je úhlové protlačování (ECAP), to je zaměřeno k využití pro přípravu ultrajemnozrných materiálů (UFG), resp. nanomateriálů (materiálů kde je průměrná velikost zrna nižší než 100 nm). U takto tvářených materiálů se očekávají vysoké pevnostní i plastické vlastností, překonávající vlastnosti současně vyráběných klasických materiálů. ECAP je jednou z technologií patřících do skupiny SPD technologií (severe plastic deformation), jenž je založena na vkládání extrémních velikostí deformací do materiálů bez jejich změny tvaru a průřezu. Nevýhodou této technologie je poměrně malá velikost vložené deformace během jednoho průchodu a částečná nehomogenita deformace po průřezu v závislosti na okrajových

4» · 9 *9 ·9 * ♦ · • · « ···· ·«· ··«« · · β ·«· podmínkách deformace. S tím je spojena nutnost mazání protlačovaného materiálu během každého průchodu. Další ze skupiny SPD technik zaměřených na získání materiálu s UFG strukturou je Twist extrusion (TE). I tato metoda je uzpůsobena pro zpracování především kovových materiálů s cílem zvýšit jejich finální vlastnosti. Velkou nevýhodou metody je ale faktor nehomogenity deformace, která značně ovlivní hodnoty výsledných vlastností. Důvodem velkých rozdílů v hodnotách vložených deformaci je charakter toku materiálu během TE. Kromě zmíněných negativ se u TE pňdává ještě nutnost použití zpětného tlaku, pro získání vzorku tvarově (rozměrově) totožného s původním materiálem.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody do značné míry odstraňuje způsob protlačování materiálu se zkrutem, kdy je materiál po svém vložení do vertikální části kanálu matrice protlačován skrze zkrut, za kterým následuje ohyb v rozmezí 0 až 180 kterým materiál musí rovněž projít. Při svém průchodu kanálem je materiál namáhán smykovou deformací, resp. krutém v závislosti na jeho poloze. Technologie, tak jak je navržena, umožňuje zjemnění struktury zpracovávaných materiálů až do oblastí ultrajemného zrna, čímž dovoluje zvýšení užitných vlastností materiálů. V první fázi je materiál vkládán (přiváděn) do matrice, respektive její části kde je situována zkroucená část kanálu - zkrut. Zkrut, jenž je umístěn v této části je definován zejména úhlem natočení obou průřezů vůči sobě (ω) tento by měl být > 90°. Dalším parametrem, který definuje zkrut je délka kanálu, na které je proveden. Tato je stanovena pomocí úhlu β který vystihuje strmost stoupání šroubovice zkrutu. Zkroucená část na svém konci přechází v ohyb, který je spojovací částí s další částí kanálu. Počátek ohybu je od konce zkrutu posunut o vzdálenost (B). To znamená, že je materiál při svém průchodu zkroucenou částí natáčen okolo své osy o úhel ω. Díky průchodu zkroucenou částí je materiál vzhledem k tomu, že zkrut působí pouze na určené délce, intenzivně deformován, resp. postupné podrobován smykové deformaci. Materiál se vyznačuje vířivým tokem kovu. Tento charakter toku způsobuje nerovnoměrnost vložené deformace po průřezu. To znamená, že osové části materiálu ve srovnání s periferními částmi průřezu nejsou deformovány stejně. K odstranění této nehomogenity deformace je v návaznosti umístěn zmiňovaný ohyb. Při dalším pohybu materiálu matricí je tento za výstupní rovinou zkrutu přiváděn do ohybu spojujícího obě části kanálu. V tomto ohybu, který je definován vnějším a vnitřním poloměrem zaoblení dochází k vložení další deformace. Oblast ohybu, ve které dochází ke smykové deformaci je nazvána deformační oblastí a je vymezena průsečíkem obou částí kanálu. Vlivem tření mezi stěnami kanálu a materiálem dochází tedy jak k nárůstu celkové vložené deformace diky deformační oblasti tak i k homogenizaci deformace, dříve vložené díky zkrutu.

Výhody navrhované technologie jsou tedy především ve vyšší homogenitě vkládané deformace po průřezu materiálu. Dále pak vzhledem k příspěvku vložené deformace ze dvou zdrojů, je výsledná hodnota deformace po celém průchodu vyšší ve srovnání například s ECAP. Na rozdíl od TE či ECAP je dosahováno z hlediska intenzity deformace během jediného průchodu téměř homogenního materiálu (obr. 4). Navíc je třeba uvést, že intenzita deformace v téměř celém vzorku nabývá minimálních hodnot Se ~ 2,3. To znamená, podstatně vyšších hodnot než u ECAP nebo TE za jediný průchod. To ve výsledku znamená snížení celkového počtu průchodů k získání materiálu požadovaných vlastností. Kombinací obou tvarů, lze ovlivňovat dosažené charakteristiky vzhledem ke geometrii materiálu.

Přehled obrázků na výkresech

Způsob úhlového protlačování se zkrutem je blíže osvětlen na přiložených výkresech, kde na obr. 1 je znázorněna celá sestava pro provedení způsobu podle vynálezu. N obr. 2 je znázorněna celá sestava na které jsou zvýrazněny vstupní a výstupní rovina kanálu. Na obr. 3 je znázorněn řez matricí s definicí geometrie kanálu. A na obr. 4 je znázorněn průběh intenzity deformace po průřezu vzorkem v čase.

Příklad provedení vynálezu

Úhlové protlačování se zkrutem kdy je vzorek 2 vložen do vstupního otvoru vertikálního kanálu 3, kde je průtlačnikem 1 posouván ke zkroucené části kanálu 7. Za touto částí kanálu 7 následuje ve vzdálenosti (B) ohyb kanálu 8 definovaný poloměry (R1, R2), na který navazuje horizontální část kanálu 6. Horizontální část kanálu 6 je ukončena výstupním otvorem 4, jehož rozměry jsou totožné s rozměry vstupního otvoru 3. Během celého procesu protlačování zůstávají rozměry protlačovaného vzorku 2 stejné, čímž je možné dosáhnout opakovatelnosti celé technologie na stejném vzorku.

V první fázi je vzorek 2 vkládán do matrice - vstupní roviny 3, kde je situována zkroucená část kanálu - zkrut 7. Zkrut 7, je definován zejména úhlem (co) natočení obou průřezů vůči sobě tento úhel by měl být > 90°. Dalším parametrem, který definuje zkrut 7 je délka samotného zkrutu 7. Tato délka zkrutu 7 je stanovena pomocí úhlu β který vystihuje strmost stoupání šroubovice zkrutu 7. Zkroucená část 7 na svém konci přechází v ohyb 8, který je spojovací částí s další části kanálu 6. Počátek ohybu 8 je od konce zkrutu 7 posunut o vzdálenost (B). Vzorek 2 je při svém průchodu zkroucenou částí 7 natáčen okolo své osy o úhel ω. Díky průchodu zkroucenou částí 7 je vzorek 2 vzhledem k tomu, že zkrut 7 působí pouze na určené délce, intenzivně deformován, resp. postupně podrobován smykové deformací. Při dalším pohybu vzorku 2 matricí je tento za výstupní rovinou zkrutu 7 přiváděn do ohybu 8 spojujícího obé části kanálu. V tomto ohybu 8, který je definován vnějším a vnitřním poloměrem R1, R2 zaoblení dochází k vložení další deformace. Oblast ohybu 8, ve které dochází ke smykové deformaci je nazvána deformační oblastí a je vymezena průsečíkem obou částí kanálu. Po průchodu ohybem vychází vzorek 2 z matrice ven ve výstupní rovině kanálu 4.

Průmyslová využitelnost

Způsob úhlového protlačováni se zkrutem podle vynálezu je využitelný v oblasti tváření materiálu, zejména tam kde je potřebné zvýšení užitných vlastností materiálu a jeho velmi dobré protváření.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob úhlového protlačování se zkrutem vyznačující se tím, že je materiál vložen do vstupního otvoru vertikálního kanálu (3), kde je průtlačníkem (1) posouván ke zkroucené části kanálu (7), za touto částí následuje ve vzdálenosti (B) ohyb kanálu (8) definovaný poloměry (R1, R2), na který navazuje horizontální část kanálu (6), tato horizontální část kanálu (6) je ukončena výstupním otvorem (4), jehož rozměry jsou totožné s rozměry vstupního otvoru.
2. 2. Způsob úhlového protlačování se zkrutem podle nároku 1 vyznačující se tím, že během celého procesu protlačování zůstávají rozměry protlačovaného vzorku stejné.
3. 3. Způsob úhlového protlačování se zkrutem podle nároků 1 a 2 vyznačující se tím, že kombinaci ohybu (8) a zkrutu (7) dosáhneme homogenního rozloženi vložené deformace po celém průřezu vzorku (2) a současně je velikost vložené deformace je výrazné vyšší.