RU2172350C2

RU2172350C2 - Device for deformable treaqtment of blanks

Info

Publication number: RU2172350C2
Application number: RU99115657A
Authority: RU
Inventors: Ф.З. Утяшев; О.А. Кайбышев; В.А. Валитов
Original assignee: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
Filing date: 1999-07-19
Publication date: 2001-08-20

Abstract

FIELD: metal pressure shaping; forming required microstructure in blanks, submicrocrystalline and nanocrystalline structure inclusive and physico-mechanical properties corresponding to structural state. SUBSTANCE: proposed device includes punch and sectional container with inlet and outlet parts which are engageable over parting plane and are provided with passage intersecting in above-mentioned plane. Passage are bounded by circle in parting plane. Inlet and outlet parts of container are mounted for rotation relative to each other in parting plane relative to each other. At least one passage or part of its adjoining parting plane has elliptical cross section. Passage of outlet part of container or passages on inlet and outlet parts may also have such cross section. In second case, cross sections of above-mentioned passages may have similar or different elliptical form. Passage of outlet part of container may be narrowed in shape. Cross-section area of this passage may be less than that of passage of inlet part of container. EFFECT: extended technological capabilities; improved quality of treatment. 6 cl, 8 dwg, 1 tbl, 6 ex

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для формирования в заготовках заданной микроструктуры, в том числе субмикрокристаллической (СМК) и нанокристаллической (НК), и соответствующих полученному структурному состоянию физико-механических свойств. The invention relates to the field of metal forming and can be used to form a given microstructure in preforms, including submicrocrystalline (SMC) and nanocrystalline (NC), and the physical and mechanical properties corresponding to the obtained structural state.

На формирование микроструктуры при деформации влияет большое количество факторов, среди которых существенная роль принадлежит величине и распределению деформации по объему заготовки. В частности, мелкозернистую структуру в металлических материалах получают в результате равномерной и интенсивной деформации заготовок. Особенно большие деформации нужны при получении СМК и НК структур. В свою очередь, эти факторы зависят от методов (схемы) деформации. Известны ряд устройств, позволяющих интенсивно, т.е. с большими степенями, деформировать материалы. The formation of the microstructure during deformation is influenced by a large number of factors, among which a significant role belongs to the magnitude and distribution of the deformation over the volume of the workpiece. In particular, the fine-grained structure in metallic materials is obtained as a result of uniform and intense deformation of the workpieces. Especially large deformations are needed when obtaining QMS and NC structures. In turn, these factors depend on the methods (schemes) of deformation. A number of devices are known that allow intensively, i.e. with large degrees, deform materials.

В устройстве [1], содержащем контейнер и вращающуюся матрицу, заготовку деформируют комбинированно прямым прессованием и кручением. Однако для получения больших деформаций необходимо прессование с большими вытяжками, т.е. с существенным уменьшением поперечного сечения заготовки. Следовательно, используя данное устройство, можно получать изделия ограниченной номенклатуры как по размерам, так и по прочностным свойствам, т.к. прессование высокопрочных материалов требует больших давлений и соответствующих нагрузок на инструмент, в частности на пуансон. In the device [1], containing the container and the rotating matrix, the workpiece is deformed combined by direct pressing and torsion. However, to obtain large deformations, pressing with large hoods, i.e. with a significant reduction in the cross section of the workpiece. Therefore, using this device, it is possible to obtain products of limited range both in size and in strength properties, because the pressing of high-strength materials requires high pressures and corresponding loads on the tool, in particular the punch.

Известно устройство [2], содержащее пуансон и составной контейнер с пересекающимися равными по размерам в поперечном сечении каналами. Это устройство используют для деформационной обработки заготовок. В научно-технической литературе этот процесс известен, как равноканальное угловое (РКУ) прессование. Прессование в указанном устройстве приводит к относительно равномерному накоплению деформации и структурным изменениям во всем объеме заготовки, за исключением ее концов. Величина накопленной деформации при РКУ прессовании зависит от угла пересечения каналов контейнера и количества проходов прессования. Чем меньше угол пересечения каналов и больше число проходов, тем больше величина накопленной деформации. Измельчение зерен до размеров соответствующих СМК и НК состояниям посредством РКУ прессования достигается в результате многих, обычно от 14 до 16, проходов, при этом по мере увеличения числа проходов вследствие упрочнения материала существенно растет нагрузка на инструмент. По этой причине использовать известное устройство РКУ прессования для обработки труднодеформируемых материалов практически невозможно. Большое сопротивление деформированию таких материалов и их интенсивное упрочнение после одного - двух проходов повышает давление прессования до уровня, превышающего прочность инструмента. Обычно устройство для РКУ прессования используют для получения СМК структуры в металлических прутках из относительно мягких металлов и сплавов, например Cu, Al, армко-железо, и с небольшими размерами - 20-30 мм в диаметре, 100 - 120 мм длиной. A device [2] is known, comprising a punch and a composite container with intersecting channels of equal dimensions in cross section. This device is used for deformation processing of workpieces. In the scientific and technical literature, this process is known as equal channel angular pressing (ECC). Pressing in the specified device leads to a relatively uniform accumulation of deformation and structural changes in the entire volume of the workpiece, with the exception of its ends. The amount of accumulated deformation during ECG pressing depends on the angle of intersection of the container channels and the number of pressing passes. The smaller the angle of intersection of the channels and the greater the number of passes, the greater the magnitude of the accumulated deformation. Grinding the grains to the sizes corresponding to the QMS and NK states by means of ECG pressing is achieved as a result of many, usually from 14 to 16, passes, and as the number of passes increases due to hardening of the material, the tool load significantly increases. For this reason, it is practically impossible to use the known ECG pressing device for processing difficultly deformed materials. The high resistance to deformation of such materials and their intensive hardening after one or two passes increases the pressing pressure to a level exceeding the strength of the tool. Typically, a device for ECG pressing is used to obtain a QMS structure in metal bars from relatively soft metals and alloys, for example Cu, Al, Armco iron, and with small dimensions - 20-30 mm in diameter, 100 - 120 mm in length.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [3], содержащее пуансоны, контейнер, состоящий из входной и выходной частей, сопряженных между собой по плоскости стыка и выполненных с пересекающимися в упомянутой плоскости стыка каналами, ограниченными в плоскости стыка окружностью, причем части контейнера выполнены с возможностью поворота друг относительно друга по плоскости стыка. Заготовку укладывают в каналы составного контейнера между двумя пуансонами, сжимают и подвергают кручению под давлением путем вращения пуансонов и частей контейнера друг относительно друга с заданной угловой скоростью. Обработка в этом устройстве не приводит к уменьшению поперечного сечения заготовки. Вместе с тем оно не обеспечивает получение однородного деформированного состояния и соответствующей ему структуры в поперечном сечении обработанного участка заготовки, т.к. при кручении деформация распределяется неравномерно: с максимальной интенсивностью в приповерхностных слоях и минимальной в центре прутка. Кроме того, это устройство неприменимо для обработки труднодеформируемых сплавов. Технологические возможности и работоспособность этого устройства во многом зависят от величины сил трения. Closest to the proposed technical solution is a device [3] containing punches, a container consisting of input and output parts, interconnected along the joint plane and made with channels intersecting in the said plane of the joint, circumscribed in the joint plane, and the container parts are made with the possibility of rotation relative to each other along the joint plane. The workpiece is placed in the channels of the composite container between two punches, compressed and subjected to torsion under pressure by rotating the punches and parts of the container relative to each other with a given angular velocity. Processing in this device does not reduce the cross-section of the workpiece. However, it does not provide a homogeneous deformed state and its corresponding structure in the cross section of the processed section of the workpiece, because during torsion, the deformation is distributed unevenly: with maximum intensity in the surface layers and minimum in the center of the bar. In addition, this device is not applicable for the processing of difficult to deform alloys. The technological capabilities and operability of this device largely depend on the magnitude of the friction forces.

Если использовать смазку, то силы трения между заготовкой и контейнером небольшие и кручение заготовки производится по существу только пуансонами. Однако одновременное сжатие и кручение пуансонами заготовки из труднодеформируемых сплавов невозможно, поскольку прочность инструмента становится сравнимой с высоким сопротивлением деформированию указанных материалов. If grease is used, the friction forces between the workpiece and the container are small and the workpiece is torsionally twisted only by the punches. However, the simultaneous compression and torsion by the punches of a workpiece made of hard-to-deform alloys is impossible, since the strength of the tool becomes comparable with the high resistance to deformation of these materials.

Если не использовать смазку, то силы трения между заготовкой и стенками каналов контейнеров возрастут, поскольку заготовка находится под воздействием сил сжатия пуансонов и раздается в каналах. В этом случае силы трения могли бы играть положительную роль при передаче крутящего момента от стенок контейнера заготовке и нагрузку на пуансоны при кручении можно было бы уменьшить. Однако вредное воздействие сил трения проявится тогда при перемещении заготовки в каналах контейнера. Более того, в условиях сухого трения при кручении заготовки возникает проскальзывание между поверхностями деформируемого металла и инструмента, что приводит к адгезионному схватыванию (сварке). Следовательно, и в этом случае возрастает нагрузка на инструмент, что не позволяет интенсивно деформировать в известном устройстве труднодеформируемые сплавы. If you do not use lubricant, the friction forces between the workpiece and the walls of the channels of the containers will increase, since the workpiece is under the influence of compression forces of the punches and is distributed in the channels. In this case, the friction forces could play a positive role in transmitting the torque from the container walls to the workpiece, and the load on the punches during torsion could be reduced. However, the harmful effects of friction will then occur when moving the workpiece in the channels of the container. Moreover, under conditions of dry friction during torsion of the workpiece, slippage occurs between the surfaces of the deformable metal and the tool, which leads to adhesive setting (welding). Therefore, in this case, the load on the tool also increases, which does not allow intensively deforming hardly deformable alloys in the known device.

Задачами предлагаемого технического решения являются: расширение возможностей устройства за счет его использования для различных методов деформационной обработки заготовок, в том числе из труднодеформируемых металлов и сплавов, снижение нагрузки на инструмент. Кроме того, задачей является повышение качества заготовок путем формирования в них при интенсивной деформации однородной структуры. The objectives of the proposed technical solution are: expanding the capabilities of the device due to its use for various methods of deformation processing of workpieces, including from hardly deformable metals and alloys, reducing the load on the tool. In addition, the task is to improve the quality of the workpieces by forming a homogeneous structure in them under intense deformation.

Решение такой задачи обеспечивает устройство для деформационной обработки заготовок, содержащее пуансон и составной контейнер из входной и выходной частей, сопряженных между собой по плоскости стыка и выполненных с пересекающимися в упомянутой плоскости каналами, ограниченными в плоскости стыка окружностью, при этом входная и выходная части контейнера установлены с возможностью вращения одна относительно другой в плоскости стыка, отличающееся тем, что по меньшей мере один канал или его часть, прилегающая к плоскости стыка, выполнены с поперечным сечением эллиптической формы. The solution to this problem is provided by a device for deformation processing of workpieces, containing a punch and a composite container of inlet and outlet parts, interconnected along the joint plane and made with channels intersecting in the said plane, circumscribed in the joint plane, while the input and output parts of the container are installed rotatably one relative to the other in the junction plane, characterized in that at least one channel or part thereof adjacent to the junction plane is made cross section of an elliptical shape.

Кроме того, достижению задачи способствует то, что:
с поперечным сечением эллиптической формы выполнен канал выходной части контейнера;
с поперечным сечением эллиптической формы выполнены каналы входной и выходной частей контейнера, при этом поперечные сечения упомянутых каналов имеют одинаковую эллиптическую форму;
с поперечным сечением эллиптической формы выполнены каналы входной и выходной частей контейнера, при этом поперечные сечения упомянутых каналов имеют различную эллиптическую форму;
канал выходной части контейнера выполнен суженным;
канал выходной части контейнера выполнен с поперечным сечением, площадь которого меньше площади поперечного сечения канала входной части контейнера.In addition, the achievement of the task is facilitated by the fact that:
with a cross-section of an elliptical shape made channel output part of the container;
with a cross section of an elliptical shape made channels of the input and output parts of the container, while the cross sections of these channels have the same elliptical shape;
with a cross section of an elliptical shape made channels of the input and output parts of the container, while the cross sections of these channels have different elliptical shapes;
the channel of the output part of the container is narrowed;
the channel of the output part of the container is made with a cross section, the area of which is less than the cross-sectional area of the channel of the input part of the container.

Предлагаемое устройство решает поставленную задачу совокупностью необходимых и достаточных признаков его конструктивного исполнения. The proposed device solves the problem by a set of necessary and sufficient signs of its design.

В частности, расширение технологических возможностей достигается реализацией с помощью устройства разных методов деформации заготовки. Устройство можно использовать для углового прессования, продавливая заготовку через пересекающиеся в плоскости стыка каналы, не производя при этом относительного вращения частей контейнера. Можно использовать для прессования с кручением, вращая в плоскости стыка части контейнера друг относительно друга и продавливая заготовку в пересекающихся каналах. In particular, the expansion of technological capabilities is achieved by the implementation of different methods of deformation of the workpiece using the device. The device can be used for angular pressing, forcing the workpiece through channels intersecting in the joint plane, without producing relative rotation of the container parts. It can be used for pressing with torsion, rotating parts of the container relative to each other in the junction plane and forcing the workpiece in intersecting channels.

Во всех методах деформации используется один и тот же отличительный конструктивный признак предложенного устройства - пересечение эллиптических каналов (или одного эллиптического канала с обычным цилиндрическим, т.е. имеющим окружное поперечное сечение), который в сочетании с известным (по отношению к прототипу) признаком - поворотом частей контейнера, сопряженных в плоскости стыка, - позволяет осуществлять сдвиг в качестве преимущественного механизма деформации. All deformation methods use the same distinctive design feature of the proposed device - the intersection of elliptical channels (or one elliptical channel with a regular cylindrical, i.e. having a circumferential cross-section), which, in combination with the well-known (relative to the prototype) sign - by turning the container parts conjugated in the junction plane, it allows shear as a preferential deformation mechanism.

Каждый из методов деформации, реализуемый посредством предлагаемого устройства, может использоваться для решения различных задач, однако рациональный выбор схемы деформации связан с использованием ее особенностей применительно к конкретной цели обработки и свойств обрабатываемого материала. Each of the deformation methods implemented by the proposed device can be used to solve various problems, however, a rational choice of the deformation scheme is associated with the use of its features as applied to the specific processing goal and properties of the processed material.

Если требуется получить вытянутую в направлении оси прутка текстуру, то применяют прессование. Этот метод деформации используют также для получения мелкозернистых состояний преимущественно в относительно мягких материалах. If you want to get a texture extended in the direction of the axis of the bar, then pressing is used. This method of deformation is also used to obtain fine-grained states mainly in relatively soft materials.

Снижению нагрузки (осевой силы) на пуансоне способствует одновременная комбинация деформаций кручением и прессованием по меньшей мере по двум причинам. Во-первых, кручение переводит материал в пластическое состояние и роль силы пуансона в таком случае сводится к соответствующему ей направленному пластическому перемещению (течению) материала, во-вторых, в этом случае уменьшается также противодействие сил трения, поскольку часть из них, действующих в тангенциальном направлении, становятся активными, т.е. вызывающими развитие пластической деформации, а не противодействующими этому. Reducing the load (axial force) on the punch contributes to the simultaneous combination of torsion and pressing strains for at least two reasons. Firstly, torsion transfers the material into a plastic state and the role of the punch force in this case is reduced to the corresponding directed plastic movement (flow) of the material, and secondly, in this case, the reaction of friction forces also decreases, since some of them acting in the tangential direction, become active, i.e. causing the development of plastic deformation, and not counteracting this.

Повышение однородности структуры устройство обеспечивает тем, что нем реализуются более однородные схемы деформации, чем кручение в известном устройстве. Так, в случае углового прессования однородность деформированной структуры в зоне сдвига обеспечивается известными особенностями этого метода деформации. Increasing the uniformity of the structure of the device ensures that it implements more uniform deformation schemes than torsion in the known device. So, in the case of angular pressing, the uniformity of the deformed structure in the shear zone is provided by the known features of this deformation method.

При комбинированной деформации углового прессования и кручения однородность повышается вследствие интенсивной деформации. Даже в случае использования предлагаемого устройства только для кручения получается более однородное распределение деформации в заготовке, чем дает кручение в известном устройстве-прототипе. В предлагаемом устройстве кручение производится в промежуточной плоскости между поперечным и продольным сечением заготовки, соответственно деформационной проработке подвергаются наружные и внутренние слои заготовки. В известном устройстве в наибольшей мере деформируются поверхностные наружные слои. With combined angular pressing and torsion deformation, uniformity increases due to intense deformation. Even in the case of using the proposed device only for torsion, a more uniform distribution of deformation in the workpiece is obtained than torsion in the known prototype device gives. In the proposed device, torsion is performed in the intermediate plane between the transverse and longitudinal sections of the workpiece, respectively, the outer and inner layers of the workpiece are subjected to deformation study. In the known device the surface outer layers are most deformed.

Достижению задач способствуют также дополнительные признаки устройства. Так, выполнение устройства с одинаковыми или различными эллиптическими формами поперечных сечений каналов входной и выходной частей контейнера позволяет регулировать углы пересечения каналов. Последнее дает возможность варьировать величинами деформаций заготовки и нагрузкой на пуансон. Achievement of tasks is also facilitated by additional features of the device. So, the implementation of the device with the same or different elliptical shapes of the cross sections of the channels of the input and output parts of the container allows you to adjust the angles of intersection of the channels. The latter makes it possible to vary the values of the strains of the workpiece and the load on the punch.

В том случае, когда каналы входной и выходной частей контейнера сопряжены таким образом, что поперечные сечения упомянутых каналов имеют одинаковую эллиптическую форму, устройство может использоваться также и для кручения. Такое сопряжение каналов обеспечивает при определенном положении их соосность. По таким каналам заготовка относительно легко, без больших усилий со стороны пуансона, может передвигаться и останавливаться в необходимой позиции относительно плоскости стыка частей контейнера, при этом деформация соответствующего стыку участка может выполняться только кручением. Это энергетически выгодно для деформационного упрочнения труднодеформируемых, высокопрочных материалов, а также получения в них СМК и ПК структур. Это объясняется тем, что момент сил, прикладываемый к вращаемой части контейнера и, следовательно, к заготовке, можно развить достаточным для интенсивной деформации заготовки и безопасным для работы инструмента. При этом можно не использовать пуансоны для кручения, эту роль выполняет контейнер. Поперечные размеры последнего существенно больше, чем у пуансона и заготовки, и момент сил не вызовет возникновения в нем опасных напряжений. In the case when the channels of the input and output parts of the container are conjugated in such a way that the cross sections of the said channels have the same elliptical shape, the device can also be used for torsion. Such a conjugation of the channels provides their alignment at a certain position. Through such channels, the workpiece is relatively easy, without much effort from the side of the punch, to move and stop in the required position relative to the plane of the junction of the container parts, while the deformation corresponding to the junction of the section can be performed only by torsion. This is energetically favorable for the strain hardening of hard-to-deform, high-strength materials, as well as for obtaining a QMS and PC structures in them. This is because the moment of force applied to the rotating part of the container and, therefore, to the workpiece can be developed sufficient for intense deformation of the workpiece and safe for the tool. In this case, you can not use punches for torsion, this role is played by the container. The transverse dimensions of the latter are significantly larger than that of the punch and the workpiece, and the moment of forces will not cause dangerous stresses to arise in it.

Следовательно, используемое устройство позволяет снизить нагрузку на пуансоне и деформировать труднодеформируемые сплавы. Therefore, the device used allows to reduce the load on the punch and deform hardly deformable alloys.

Выполнение выходной части составного контейнера с меньшей площадью поперечного сечения канала в плоскости стыка, чем входного, или выполнение его сужающимся также позволяет увеличить интенсивность деформации заготовки за счет дополнительной деформации заготовки в таком канале и повысить ее деформируемость вследствие воздействия на заготовку гидростатического подпора. The implementation of the output part of the composite container with a smaller cross-sectional area of the channel in the joint plane than the inlet, or tapering it also allows you to increase the strain rate of the workpiece due to additional deformation of the workpiece in such a channel and increase its deformability due to the impact of hydrostatic pressure on the workpiece.

Устройство поясняется иллюстрациями, приведенными ниже. The device is illustrated by the illustrations below.

На фиг. 1 приведена схема конструктивного выполнения устройства для реализации предложенного способа. In FIG. 1 shows a diagram of a structural embodiment of the device for implementing the proposed method.

На фиг. 2-5 рассмотрены варианты исполнения устройства, у которых минимальные углы пересечения каналов соответственно равны 60^o, 90^o, 120^o, 135^o, а поперечные сечения равные эллиптические, на примере фиг. 2 штриховой линией показано характерное для всех вариантов, изображенных на фиг. 2-5, соосное расположение каналов после поворота нижней части по отношению к верхней части контейнера на 180^o относительно положения этих частей, при котором угол пересечения осей контейнера был минимальным.In FIG. 2-5, embodiments of the device are considered in which the minimum intersection angles of the channels are respectively 60 ^° , 90 ^° , 120 ^° , 135 ^° , and the cross sections are equal to elliptical, using the example of FIG. 2, a dashed line shows the characteristic of all variants depicted in FIG. 2-5, the coaxial arrangement of the channels after turning the lower part relative to the upper part of the container by 180 ^o relative to the position of these parts, at which the angle of intersection of the axes of the container was minimal.

На фиг. 6 приведен вариант исполнения устройства, в котором во входной части контейнера канал имеет окружное поперечное сечение, а в выходной части контейнера эллиптическое поперечное сечение. In FIG. 6 shows an embodiment of the device in which the channel has a circumferential cross section in the inlet of the container, and an elliptical cross section in the outlet of the container.

На фиг. 7 приведен вариант исполнения устройства, в котором во входной части контейнера канал имеет эллиптическое поперечное сечение, а в выходной части контейнера окружное. In FIG. 7 shows an embodiment of the device in which the channel has an elliptical cross section in the inlet part of the container, and a circumferential one in the outlet part of the container.

На фиг. 8 рассмотрен вариант исполнения устройства, в котором каналы во входной и выходной частях контейнера имеют различные эллиптические поперечные сечения. In FIG. 8, an embodiment of the device in which the channels in the input and output parts of the container have different elliptical cross sections is considered.

Примеры выполнения использования устройства. Examples of how to use the device.

Устройство (фиг. 1) содержит неподвижную часть 1 контейнера с каналом 2, при этом по меньшей мере часть канала, начиная от плоскости стыка, имеет эллиптическое поперечное сечение 3, пуансон 4, подвижную часть 5 контейнера, с каналом 6, при этом по меньшей мере часть канала 7, начиная от плоскости стыка, имеет также равное по площади и осям эллиптическое поперечное сечение, червячное колесо 8, жестко связанное с контейнером 5, червяк 9, подшипник 10, болтовое соединение 11, основание 12. Кроме того, на фиг. 1 показана заготовка 13 и технологическая таблетка 14, применяемая для полного выталкивания заготовки из каналов, а также в качестве смазки. The device (Fig. 1) contains a fixed part 1 of the container with channel 2, while at least part of the channel, starting from the plane of the junction, has an elliptical cross section 3, punch 4, the movable part 5 of the container, with channel 6, with at least at least a portion of the channel 7, starting from the junction plane, also has an elliptical cross section of equal area and axes, a worm wheel 8 rigidly connected to the container 5, the worm 9, the bearing 10, the bolt connection 11, the base 12. In addition, in FIG. 1 shows a preform 13 and a process tablet 14 used to completely eject a preform from channels, and also as a lubricant.

Плоскость пересечения каналов выполнена наклонно к их осям, но так, что в плоскости сечения отверстия ограничиваются окружностями равных диаметров, центры которых лежат практически в одной точке. Буквенным обозначением O-O показана ось вращения нижней части контейнера. Между плоскостями сопряжения зазор минимальный, практически это притертые без зазора плоскости, но сопряженные с возможностью скольжения. The plane of intersection of the channels is made obliquely to their axes, but so that the holes in the plane of the section are limited by circles of equal diameters, the centers of which lie at almost the same point. The letter O-O shows the axis of rotation of the bottom of the container. Between the mating planes, the gap is minimal; in practice, these are milled planes without a gap, but conjugated with the possibility of sliding.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При прессовании каналы 2 и 5 устанавливают под заданным углом, выбранным с учетом напряжения сдвига материала заготовки. Далее в контейнер помещают заготовку с таблеткой или две заготовки и производят выдавливание заготовки пуансоном через пересекающиеся каналы. При росте усилия прессовании после многократных проходов угол пересечения каналов меняют с учетом упрочнения материала заготовки. When pressing the channels 2 and 5 are set at a given angle, selected taking into account the shear stress of the workpiece material. Next, a blank with a tablet or two blanks is placed in the container and the blank is extruded by a punch through intersecting channels. With the growth of the pressing force after multiple passes, the angle of intersection of the channels is changed taking into account the strengthening of the workpiece material.

При одновременном прессовании и кручении заготовку 13 устанавливают в канал 2 и проталкивают пуансоном 4, так чтобы передний конец его прошел зону сопряжения. Далее производят одновременное кручение и прессование заготовки, регулируя скорость или усилие прессования или скорость и усилие прессование одновременно, используя вышеуказанные соотношения. With simultaneous pressing and torsion, the workpiece 13 is installed in the channel 2 and pushed with a punch 4, so that its front end passes the mating zone. Next, the workpiece is simultaneously twisted and pressed, adjusting the speed or pressing force or the speed and pressing force simultaneously using the above ratios.

При кручении, когда поперечные сечения каналов ограничены равными эллипсами, заготовку 13 устанавливают в канал 2 и проталкивают пуансоном 4, так чтобы передний конец его прошел зону сопряжения. During torsion, when the cross sections of the channels are bounded by equal ellipses, the workpiece 13 is installed in the channel 2 and pushed by the punch 4, so that its front end passes the mating zone.

Затем производят поворот нижней части контейнера относительно верхней посредством червячной передачи на угол, необходимый для накопления в очаге деформации необходимой величины деформации. Далее каналы 2 и 6 совмещают в соосное положение и выбирают следующий участок для обработки, проталкивая соответственно на необходимую величину заготовку по каналу. Вновь производят кручение и таким образом повторяют эти приемы до тех пор, пока все необходимые участи заготовки не будут обработаны с заданной степенью деформации. Закачивают обработку заготовки путем ее выталкивания из соосно расположенных каналов. Then, the lower part of the container is rotated relative to the upper by means of a worm gear at an angle necessary for the accumulation of the required strain in the deformation zone. Then the channels 2 and 6 are aligned in a coaxial position and the next section for processing is selected, pushing the workpiece through the channel, respectively, to the required size. Torsion is again performed and thus these methods are repeated until all necessary parts of the workpiece are processed with a given degree of deformation. The workpiece is pumped by expelling it from coaxially located channels.

Примеры использования устройства. Examples of using the device.

Пример 1. Ставилась задача продеформировать высокожаропрочный сплав ЭП 962 с целью измельчения в нем зерен матрицы до СМК состояния и повышения за счет этого прочности. Был взят пруток с эллиптическим поперечным сечением (диаметром d₁ = 20 мм, d₂ = 14 мм). Перед обработкой пруток нагрели до температуры выше температуры растворения интерметаллидной фазы и охладили с печью до 1000 и далее на воздухе. В результате в нем сформировалась крупнозернистая исходная структура. Предел условной текучести сплава после такой обработки составил 100 кг/мм². Далее заготовку установили во входную часть 1 контейнера, имеющую соответствующее заготовке поперечное сечение канала 2 и соединенную с выходной частью контейнера 4, с идентичным также заготовке и входному каналу 5 сечением. Плоскость стыка контейнеров была выполнена в плоскости, проходящей под углом к их осям и образующей сопряжение каналов по окружностям, равным 20 мм. Выходная часть контейнера была снабжена приводом, позволяющим ей вращаться вокруг оси, проведенной через центры круговых сечений, нормально к ним.Example 1. The task was to deform the high-heat-resistant alloy EP 962 in order to grind the matrix grains in it to the SMC state and increase due to this strength. A rod was taken with an elliptical cross section (diameter d ₁ = 20 mm, d ₂ = 14 mm). Before processing, the rod was heated to a temperature above the dissolution temperature of the intermetallic phase and cooled with the furnace to 1000 and then in air. As a result, a coarse-grained initial structure was formed in it. The conditional yield strength of the alloy after this treatment was 100 kg / mm ² . Next, the workpiece was installed in the inlet part 1 of the container, having a cross section of the channel 2 corresponding to the workpiece and connected to the output part of the container 4, with a cross section identical to the workpiece and inlet channel 5. The junction plane of the containers was made in a plane passing at an angle to their axes and forming a channel mate in circles equal to 20 mm. The output part of the container was equipped with a drive allowing it to rotate around an axis drawn through the centers of circular sections, normally to them.

Далее путем поворота ось выходного канала совместили с осью входного канала, а заготовку продвинули по каналам, так чтобы плоскость стыка каналов пересекла начало заготовки. Then, by rotation, the axis of the output channel was combined with the axis of the input channel, and the workpiece was advanced along the channels so that the plane of the channel junction crossed the beginning of the workpiece.

Затем заготовку деформировали кручением путем поворота нижней части контейнера относительно верхней части на угол, равный 6π. Кручение было завершено в положении частей, при которых каналы стали соосными. После этого продвинули заготовку так, чтобы следующее сечение заготовки оказалось в плоскости стыка, и вновь прокрутили заготовку. Таким образом, обработали всю заготовку по длине за исключением небольших концов. После обработки из заготовки сделали шлиф и образцы для механических испытаний. Исследование структуры показало наличие мелких зерен размером около 200 нм, а механические испытания - повышение предела текучести сплава до уровня 1400 - 1450 МПа. Then the workpiece was deformed by torsion by rotating the lower part of the container relative to the upper part by an angle equal to 6π. The torsion was completed in the position of the parts in which the channels became coaxial. After that, the workpiece was advanced so that the next section of the workpiece was in the junction plane, and the workpiece was again scrolled. Thus, the entire workpiece was machined in length except for small ends. After processing, a thin section and samples for mechanical tests were made from the workpiece. The study of the structure showed the presence of small grains with a size of about 200 nm, and mechanical tests showed an increase in the yield strength of the alloy to the level of 1400 - 1450 MPa.

Пример 2. Ставилась задача обработать пруток прессованием из инструментальной стали, у которой в исходном состоянии сопротивление сдвигу составляло 800 МПа с цельного упрочнения и получения вытянутой текстуры зерен в направлении прессования. Пуансон устройства был выполнен из инструментальной стали ДИ 22. Поэтому предельно допустимое давление на него не могло превысить величину 1800 МПа. Прессование выполняли в вышеописанном устройстве без противодавления p₀=0.Example 2. The task was to process the bar by pressing from tool steel, in which in the initial state the shear resistance was 800 MPa from solid hardening and obtaining an elongated grain texture in the pressing direction. The device punch was made of tool steel DI 22. Therefore, the maximum allowable pressure on it could not exceed the value of 1800 MPa. Pressing was performed in the above device without back pressure p ₀ = 0.

В соответствии с возможностями устройства регулировали угол пересечения каналов для прессования по соотношению
φ₁≥ arcctg(p p_o)/2k, = arcctg1800/2×800 ≈ 43^°.In accordance with the capabilities of the device, the angle of intersection of the pressing channels was adjusted according to the ratio
φ ₁ ≥ arcctg (pp _o ) / 2k, = arcctg1800 / 2 × 800 ≈ 43 ^° .

Следовательно, для первого прохода угол пересечения каналов должен быть больше чем 86^o. Поэтому его выбрали с учетом противодействия трения несколько большим, равным 2φ_i= 90^°, и продеформировали заготовку с использованием смазки. (Прессование проводили с использованием таблетки, содержащей графит, парафин, масло, с целью полного выдавливания посредством него заготовки из устройства).Therefore, for the first pass, the angle of intersection of the channels should be greater than 86 ^o . Therefore, it was chosen taking into account friction counteraction somewhat larger, equal to 2φ _i = 90 ^° , and the workpiece was deformed using grease. (Compression was carried out using a tablet containing graphite, paraffin, oil, with the aim of completely squeezing through it the workpiece from the device).

После первого прохода образца через устройство с углом пересечения каналов 90^o материал упрочнился и k увеличилось в 1.25 раз. При втором проходе установили угол пересечения каналов равным 2φ₂= 100^°, т.к.After the first passage of the sample through the device with a channel intersection angle of 90 ^{°, the} material hardened and k increased 1.25 times. In the second pass, the angle of intersection of the channels was set equal to 2φ ₂ = 100 ^° , because

φ₂= arcctg1800/2×800×1,25 ≈ 48^°.
После второго прохода материал, вновь упрочнится в 1.2 раза, поэтому третий переход исходя из того же соотношения выполняли уже при угле пересечения каналов, равном 110^o.φ ₂ = arcctg1800 / 2 × 800 × 1.25 ≈ 48 ^° .
After the second pass, the material again hardens by 1.2 times, therefore, the third transition based on the same ratio was carried out already at an angle of intersection of the channels equal to 110 ^o .

Таким образом, после трех проходов материал заготовки упрочнили в 1.7 раз и сформировали заданную металлографическую текстуру деформации. В принципе число проходов заготовки может быть увеличено и далее и достигнуто предельно возможное упрочнение материала путем регулировки угла пересечения каналов в одном том же устройстве для прессования. Thus, after three passes, the workpiece material was strengthened 1.7 times and a predetermined metallographic strain texture was formed. In principle, the number of passes of the workpiece can be further increased and the maximum possible hardening of the material is achieved by adjusting the angle of intersection of the channels in the same pressing device.

Пример 3. Выполняли деформацию прессованием и кручением заготовки из технически чистого никеля НП2. Example 3. Deformation was performed by pressing and torsion of a workpiece from technically pure nickel NP2.

Ставилась задача получить однородные структуру и механические свойства в поперечном сечении прутка. С этой целью пруток никеля предварительно подвергли отжигу. Затем его обрабатывали в устройстве для его осуществления. Учитывая, что интенсивность сдвига для никеля в отожженном состоянии не превышает 400 МПа, сначала установили угол между каналами, равный 90^o, затем пропрессовали. На завершающем этапе прессование совместили с кручением прутка путем поворота выходной части канала до положения, при котором оси каналов совместились по прямой. Далее сместили заготовку в каналах до положения, при котором в плоскости стыка частей контейнера оказалась другая концевая часть прутка. Вновь, но уже без прессования, повернули части контейнера на угол, равный 120^o, между осями каналов, и оставшуюся часть пропрессовали с данным углом. В результате был получен пруток с равномерными сечениями, у которого в результате деформации с различными степенями, включая равную нулю, были получены разные механические свойства, в частности твердость по Виккерсу у одной концевой части была равной 150, у другой - около 220, а средняя часть - порядка 75 единиц. Очевидно, что варьирование схемой и степенью деформации прутка позволяют получить и другие варианты регламентированного изменения структуры и свойств прутка по длине и сечению, например с упрочненной средней частью и "мягкими" концами.The task was to obtain a homogeneous structure and mechanical properties in the cross section of the bar. For this purpose, the nickel bar was preliminarily annealed. Then it was processed in the device for its implementation. Given that the shear rate for nickel in the annealed state does not exceed 400 MPa, first set the angle between the channels equal to 90 ^o , then pressed. At the final stage, the pressing was combined with torsion of the bar by turning the output part of the channel to a position at which the axis of the channels combined in a straight line. Then the workpiece in the channels was shifted to the position at which the other end part of the bar was in the plane of the junction of the container parts. Again, but already without pressing, the container parts were turned at an angle equal to 120 ^o between the axes of the channels, and the rest was pressed with this angle. As a result, a bar with uniform sections was obtained, in which, as a result of deformation with various degrees, including zero, various mechanical properties were obtained, in particular, the Vickers hardness at one end part was 150, the other about 220, and the middle part - about 75 units. Obviously, varying the pattern and the degree of deformation of the bar allows one to obtain other variants of regulated changes in the structure and properties of the bar along the length and cross-section, for example, with a hardened middle part and "soft" ends.

Пример 4. Пруток из меди М1, отожженной, подвергли одновременному прессованию и кручению. Деформацию выполняли так. Сначала пруток поместили в устройство при совпадении осей каналов в исходное положение. Затем выполняли кручение каждого локального участка на 5 оборотов с одновременным его продавливанием через пересекающиеся каналы, при этом регулировали усилием прессования, изменяя его от нуля при совпадении осей до максимума при минимальном угле пересечения осей каналов. При этом скорость прессования согласовывали с вращением частей контейнера в соответствии с уравнением v ≅ r • ω /e_кр, так что один и тот же локальный участок подвергался комбинированной деформации. В свою очередь, скорость прессования регулировали изменением давления на пуансоне в зависимости от угла пересечения осей каналов и с использованием соотношения
p ≥ p_o+2kctg[φ_i/2].
Пример 5. Оценка энергосиловых параметров деформации в устройстве.Example 4. A bar of copper M1, annealed, was subjected to simultaneous pressing and torsion. The deformation was performed as follows. First, the bar was placed in the device when the axes of the channels coincided in the initial position. Then, torsion of each local section by 5 revolutions was performed with its simultaneous forcing through intersecting channels, at the same time it was controlled by the pressing force, changing it from zero when the axes coincided to the maximum with a minimum angle of intersection of the channel axes. In this case, the pressing speed was coordinated with the rotation of the container parts in accordance with the equation v ≅ r • ω / e _cr , so that the same local area was subjected to combined deformation. In turn, the pressing speed was controlled by changing the pressure on the punch depending on the angle of intersection of the axes of the channels and using the ratio
p ≥ p _o + 2kctg [φ _i / 2].
Example 5. Evaluation of energy-power deformation parameters in the device.

Кручение. Для обработки заготовки в соответствии с примером 1 потребовался момент кручения около 100 кг м. Его величина находится в хорошем соответствии с известной формулой
M_кр = 1.3 • W_p • k = 1.3 • π d³/16 ≈ 0.2d³,
где k = σ_0,2/2 = 50 кг/мм² - напряжение сдвига,
W_p - полярный момент сопротивления,
1.3 - коэффициент, учитывающий влияние площади сечения заготовки на кручение.Torsion. To process the workpiece in accordance with example 1, a torsion moment of about 100 kg m was required. Its value is in good agreement with the known formula
M _cr _{= 1.3 • W p • k =} 1.3 • π d ^3/16 ≈ 0.2d ³
where k = σ _0.2 / 2 = 50 kg / mm ² - shear stress,
W _p is the polar moment of resistance,
1.3 - coefficient taking into account the influence of the cross-sectional area of the workpiece on torsion.

Данная формула была использована для количественной оценки моментов кручения данного сплава для прутков с различным диаметром, т.е. теоретической возможности оценки обработки высокопрочных сплавов широкой номенклатуры. Результаты расчета приведены в таблице. This formula was used to quantify the torsion moments of this alloy for rods with different diameters, i.e. theoretical possibility of evaluating the processing of high-strength alloys of a wide range. The calculation results are shown in the table.

Расчеты показывают, что для кручения в соответствии со способом прутка с достаточно большим диаметром 60 мм необходим крутящий момент, равный 2808 кг м, который может обеспечить привод с небольшим червячным редуктором. Calculations show that for torsion in accordance with the method of a rod with a sufficiently large diameter of 60 mm, a torque of 2808 kg m is required, which can be provided by a drive with a small worm gear.

Определим мощность N = М_кр • ω = М_кр • π n/30 ≈ 2808 • 0,1 = 280 кг м/с = 2.8 кВт, где
ω = угловая скорость,
n = 1 об/мин - число оборотов в минуту.We define the power N = M _cr • ω = M _cr • π n / 30 ≈ 2808 • 0.1 = 280 kg m / s = 2.8 kW, where
ω = angular velocity
n = 1 rpm is the number of revolutions per minute.

Допустим, что КПД редуктора и потери на трение составят 70%. Тогда потребуется мощность около 4 кВт. Т. е. обычная мощность, потребляемая средним металлорежущим оборудованием. Полученные оценки показывают, что для развития такого момента и мощности подойдут небольшие по габаритам червячный редуктор и электродвигатель. Assume that the gearbox efficiency and friction loss are 70%. Then a power of about 4 kW is required. That is, the usual power consumed by medium-sized metal-cutting equipment. The estimates obtained show that for the development of such a moment and power, a small-sized worm gear and an electric motor are suitable.

Прессование. Максимальное усилие прессования возникает в случае, когда оси каналов пересекаются с минимальным углом. При РКУ прессовании усилие прессования без учета трения можно определить по формуле
P=F•2k•ctg Φ/2,
где F - поперечная площадь прутка,
k - напряжение сдвига,
e - истинная деформация.Pressing. The maximum pressing force occurs when the axis of the channels intersect with a minimum angle. When ECG pressing, the pressing force without taking into account friction can be determined by the formula
P = F • 2k • ctg Φ / 2,
where F is the transverse area of the bar,
k is the shear stress,
e is true strain.

Например, для прессования под углом пересечения каналов 90^o высокопрочного прутка, у которого k = 1000 МПа, диаметром 60 мм необходимо усилие не менее
P ≥ π d²/4 • 1000 • 2 ctg(90^o/2)= 5400000 Н = 540 т.For example, for pressing at a channel intersection angle of 90 ^{° a} high-strength bar with k = 1000 MPa and a diameter of 60 mm, a force of at least
P ≥ π d ^2/4 • 1000 • 2 ctg (90 ^o / 2) = 5400000 H = 540 m.

После упрочнения материала заготовки, как показано выше, усилие прессования может быть снижено путем увеличения угла между осями каналов в устройстве. В этом случае достижение цели обработки выполняют за счет роста числа проходов. After hardening the workpiece material, as shown above, the pressing force can be reduced by increasing the angle between the axes of the channels in the device. In this case, the achievement of the processing goal is performed by increasing the number of passes.

Прессование с кручением. В этом случае вследствие изменения угла пересечения каналов усилие будет меняться от минимума до максимума. В случае пересечения равновеликих каналов минимальное усилие равно нулю, следовательно, среднее усилие за оборот будет меньше в два раза по сравнению со случаем, когда прессование ведется без кручения с постоянным и притом минимальным углом пересечения каналов. Кроме того, при прессовании с кручением активную силу пуансона выгодно использовать в качестве лишь продавливания заготовки в положениях, близких к положению совмещенных по оси каналов. В этом случае потребные усилия могут быть еще более существенно в 3-5 раз снижены. Torsion pressing. In this case, due to a change in the angle of intersection of the channels, the force will vary from minimum to maximum. In the case of crossing equal-sized channels, the minimum force is zero, therefore, the average force per revolution will be half as much as the case when the pressing is torsion-free with a constant and, moreover, minimum angle of intersection of the channels. In addition, when pressing with torsion, the active force of the punch is advantageous to use as only forcing the workpiece in positions close to the position of the channels aligned along the axis. In this case, the required efforts can be even more significantly reduced by 3-5 times.

В целом, как видно из расчетов, энергосиловые параметры, необходимые для осуществления комбинированного процесса, вполне приемлемые и предлагаемое устройство можно применить для широкого круга материалов, включая высокопрочные сплавы. In general, as can be seen from the calculations, the power parameters necessary for the implementation of the combined process are quite acceptable and the proposed device can be used for a wide range of materials, including high-strength alloys.

Пример 6. Оценка работоспособности конструкции. Example 6. Evaluation of the design.

Наиболее "слабым" узлом в конструкции является стык частей контейнера в плоскости сопряжения. Части контейнера должны быть достаточно плотно прижаты друг к другу. Вместе с тем они должны допускать скольжение одной поверхности относительно другой при поворотах (вращении) в процессе прессования. Пара скольжения может быть подобрана путем применения вкладышей, выполненных из материалов, применяемых в подшипниках скольжения, либо путем применения подшипника качения. The most "weak" node in the design is the junction of the container parts in the interface plane. Parts of the container should be sufficiently tightly pressed against each other. However, they must allow sliding of one surface relative to another during turns (rotation) during the pressing process. The sliding pair can be selected by using inserts made of materials used in sliding bearings, or by using a rolling bearing.

Оценим, например, возможность применения подшипника скольжения. Для малых скоростей, не больших 0.5 м/с, допустимое давление в парах подшипников скольжения составляет [p] = 100 - 250 кг/см². Определим, какой радиус должны иметь контейнеры в зоне сопряжения сопряженный стык, чтобы обеспечить требуемое давление.Let us evaluate, for example, the possibility of using a plain bearing. For low speeds, not greater than 0.5 m / s, the permissible pressure in the pairs of plain bearings is [p] = 100 - 250 kg / cm ² . Determine what radius the containers should have in the mating zone of the conjugate joint to provide the required pressure.

Из условия обработки в зоне стыка развивается усилие, равное
P = σπr²,
где σ - давление пуансона, взятое равным напряжению течения материала для экстремального случая работы устройства как чистое РКУ прессование,
r - радиус контейнера.From the processing condition in the joint zone, a force equal to
P = σπr ² ,
where σ is the pressure of the punch, taken equal to the stress of the flow of material for the extreme case of operation of the device as a pure ECG pressing,
r is the radius of the container.

С не меньшим усилием должны быть прижаты друг к другу контейнеры, т.е. With no less effort, containers should be pressed against each other, i.e.

P = [p]{πR²πr²}
Откуда радиус контейнера, предназначенного для прессования высокопрочных материалов, в зоне стыка равен
R = r (σ/[p])^0,5 = 30(200/2,5)^0,5 ≈ 270 мм.P = [p] {πR ² πr ² }
Where does the radius of the container intended for pressing high-strength materials in the joint zone is
R = r (σ / [p]) ^0.5 = 30 (200 / 2.5) ^0.5 ≈ 270 mm.

Таким образом, опытная проверка устройства, а также расчетные оценки показали возможность решения поставленных задач предлагаемым устройством. Thus, an experimental verification of the device, as well as design estimates showed the possibility of solving the tasks of the proposed device.

Источники, принятые во внимание:
1. Процессы пластического структурообразования металлов Минск. Навука i технiка, 1994 / Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др., с. 138 - 154.Sources taken into account:
1. The processes of plastic structure formation of metals Minsk. Navuka i Technika, 1994 / Segal V.M., Reznikov V.I., Kopylov V.I. et al., p. 138 - 154.

2. Мазурский М. И. , Еникеев Ф.У., Коршунов А.А. "Способ кручения осесимметричных заготовок под давлением." / Патент РФ 2021064 от 15.10.1994. 2. Mazursky M.I., Enikeev F.U., Korshunov A.A. "The method of torsion of axisymmetric workpieces under pressure." / RF patent 2021064 from 10.15.1994.

3. Процессы пластического структурообразования металлов Минск. Навука i технiка, 1994 / Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. и др., с. 26 - 46, 97 - 102. 3. The processes of plastic structure formation of metals Minsk. Navuka i Technika, 1994 / Segal V.M., Reznikov V.I., Kopylov V.I. et al., p. 26 - 46, 97 - 102.

Claims

1. A device for the deformation processing of workpieces, containing a punch and a composite container of inlet and outlet parts, interconnected along the joint plane and made with channels intersecting in the said plane, circumscribed in the joint plane, while the input and output parts of the container are installed with the possibility rotation relative to one another in the plane of the joint, characterized in that at least one channel or part thereof adjacent to the plane of the joint is made with a cross section elliptical th form.

2. The device according to claim 1, characterized in that the channel of the output part of the container is made with a cross section of an elliptical shape.

3. The device according to claim 1, characterized in that the channels of the input and output parts of the container are made with a cross section of an elliptical shape, while the cross sections of said channels have the same elliptical shape.

4. The device according to claim 1, characterized in that the channels of the input and output parts of the container are made with a cross section of an elliptical shape, while the cross sections of said channels have different elliptical shapes.

5. The device according to claim 1, characterized in that the channel of the output part of the container is made narrowed.

6. The device according to claim 1, characterized in that the channel of the output part of the container is made with a cross section, the area of which is less than the cross-sectional area of the channel of the input part of the container.