RU2424076C1

RU2424076C1 - Method of metal plastic structure formation and device to this end

Info

Publication number: RU2424076C1
Application number: RU2009146844/02A
Authority: RU
Inventors: Марина Юрьевна Семашко (RU); Марина Юрьевна Семашко; Виктор Иванович Трусковский (RU); Виктор Иванович Трусковский; Виктор Георгиевич Шеркунов (RU); Виктор Георгиевич Шеркунов
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-07-20

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to metal forming and may be used in metal preparation for die forging. Billet is subjected, first, to open swaging, then, to close swaging, close piercing and back extrusion. Note here that moving female die and top and bottom made dies are used. Close piercing is carried out by applying deforming force to billet top face from top male die and counter pressure to biller sides by moving female die. Back extrusion is performed on acting by moving female die on biller side and by top male die on billet face center. Proposed device comprises hydraulic cylinder with drive and washer-like plunger. Top male die has working fluid chamber and drive and is built in hydraulic cylinder to drive plunger on outer surface of top male die. Bottom male die with flange is provided with detachable semi-rings. ^ EFFECT: billet with uniform equal-density structure and cured casing defects. ^ 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к заготовительному производству машиностроительных предприятий, в частности для подготовки материала к дальнейшей обработке методами объемной штамповки.The invention relates to the procurement of machine-building enterprises, in particular for the preparation of material for further processing by die forging methods.

Известен способ структурообразования высокопрочных материалов по схеме «песочные часы», при котором цилиндрическую заготовку в холодном состоянии подвергают прямому выдавливанию и осадке в несколько циклов (SU 1741960, МКИ 4 В23J 5/00). Способ включает многократное деформирование заготовки с сохранением ее первоначальной формы и размеров после каждого цикла деформирования, при этом деформирование заготовки в каждом цикле осуществляется путем ее выдавливания с последующей одновременной осадкой выдавленной части заготовки, при этом в каждом последующем цикле деформирования направление выдавливания изменяют на противоположное относительно направления выдавливания в предыдущем цикле.A known method of structuring high-strength materials according to the hourglass scheme, in which a cylindrical billet in the cold state is subjected to direct extrusion and sediment in several cycles (SU 1741960, MKI 4 V23J 5/00). The method includes repeated deformation of the preform with preservation of its original shape and size after each deformation cycle, while deformation of the preform in each cycle is carried out by extrusion, followed by simultaneous settlement of the extruded part of the preform, and in each subsequent deformation cycle, the extrusion direction is reversed relative to the direction extrusions in the previous cycle.

Недостатком известного способа является обработка заготовок из металла небольших размеров и сравнительно малые деформации за цикл.The disadvantage of this method is the processing of metal blanks of small sizes and relatively small deformations per cycle.

Известно устройство для осуществления способа пластического структурообразования, содержащее силовой привод, матрицу, выполненную с двумя рабочими каналами одинакового поперечного сечения и длины, пуансон и контрпуансон, при этом матрица выполнена на подвижной в осевом направлении плите и установлена с возможностью поворота с пуансоном и контрпуансоном на 180°, каналы матрицы расположены соосно и сообщены один с другим участком меньшего поперечного сечения, образующим канал для выдавливания, а силовой привод выполнен гидравлическим в виде цилиндра, плунжер которого установлен с возможностью поочередного взаимодействия с пуансоном или контрпуансоном, а корпус - с матрицей (SU 1741960, МКИ 4 В23J 5/00).A device for implementing the method of plastic structure formation, comprising a power drive, a matrix made with two working channels of the same cross section and length, a punch and a counter punch, the matrix is made on an axially movable plate and mounted to rotate with a punch and a counter punch 180 °, the matrix channels are aligned and connected with one another section of a smaller cross-section, forming a channel for extrusion, and the power drive is made hydraulic in in the form of a cylinder, the plunger of which is installed with the possibility of alternating interaction with the punch or counter-punch, and the body with the matrix (SU 1741960, MKI 4 V23J 5/00).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известный способ пластического структурообразования, заключающийся в том, что для пластического структурообразования металлов сначала производят закрытую осадку, а затем последовательно обратное и прямое выдавливание с одного торца заготовки. После этого процесс повторяют с другого торца заготовки (RU №2189883, B21J 5/00).The closest in technical essence and the achieved effect is the known method of plastic structure formation, which consists in the fact that for plastic structure formation of metals, a closed precipitate is first produced, and then backward and forward extrusion is sequentially extruded from one end of the workpiece. After that, the process is repeated from the other end of the workpiece (RU No. 2189883, B21J 5/00).

В результате осуществления способа обеспечивается получение нанокристаллической структуры металла за меньшее число циклов обработки за счет повышения степени деформации за цикл и увеличение габаритов обрабатываемой заготовки.As a result of the method, it is possible to obtain a nanocrystalline metal structure in fewer processing cycles by increasing the degree of deformation per cycle and increasing the dimensions of the workpiece.

Недостатком способа является получение неоднородной неравноплотной структуры металла, поскольку не создается однородное напряженно-деформированное состояние материала, а свободный конец заготовки движется произвольно и металл распределяется неравномерно в канале матрицы, образуя загибы и складки. В процессе обратного выдавливания в верхней свободной от усилия области заготовки происходит выпучивание металла, а у основания заготовки, в конце операции, с противоположной стороны образуется «впадина». При обратном выдавливании наблюдается значительная непроработка материала заготовки.The disadvantage of this method is to obtain an inhomogeneous unequal structure of the metal, since a uniform stress-strain state of the material is not created, and the free end of the workpiece moves randomly and the metal is distributed unevenly in the matrix channel, forming bends and folds. In the process of backward extrusion in the upper force-free region of the workpiece, metal bulging occurs, and at the end of the operation, a “cavity” is formed at the end of the operation. During reverse extrusion, there is a significant unworking of the workpiece material.

На начальном этапе операции прямого выдавливания свободный конец заготовки загибается и образуется складка. Загибы, складкообразование и незаполнение пустот сопровождают всю операцию прямого выдавливания.At the initial stage of the direct extrusion operation, the free end of the billet is bent and a fold is formed. Bends, folding and non-filling of voids accompany the entire operation of direct extrusion.

Прототипом для осуществления способа является устройство для пластического структурообразования металлов, содержащее две матрицы и пуансоны. Один из пуансонов выполнен полым с круглой внутренней кромкой с одного торца. Внутри упомянутого пуансона расположен второй пуансон. Матрица, в которой располагают заготовку, установлена на плите с шероховатой поверхностью. В результате обеспечивается получение нанокристаллической структуры металла за меньшее число циклов обработки за счет повышения степени деформации за цикл и увеличение габаритов обрабатываемой заготовки (RU 2189883, B21J 5/00). Устройство для пластического структурообразования металлов позволяет получить нанокристаллическую структуру металла за меньшее число циклов обработки за счет повышения степени деформации за цикл и увеличение габаритов обрабатываемой заготовки. Данное устройство не обеспечивает получения однородного напряженно-деформированного состояния по всему объему заготовки, а следовательно, и получения однородной равноплотной, с залеченными дефектами литейного происхождения, структуры заготовки, поскольку течение металла неравномерно в канале матрицы. При воздействии пустотелого пуансона в свободной области происходит выпучивание материала, а с противоположной стороны в центре металл заготовки отходит от плиты. При воздействии малым пуансоном свободный конец заготовки загибается и образуются складки, а также загибы и пустоты.The prototype for the implementation of the method is a device for plastic structure formation of metals, containing two matrices and punches. One of the punches is made hollow with a round inner edge from one end. Inside the said punch is a second punch. The matrix in which the workpiece is placed is mounted on a plate with a rough surface. As a result, it is possible to obtain a nanocrystalline metal structure in fewer processing cycles by increasing the degree of deformation per cycle and increasing the dimensions of the workpiece (RU 2189883, B21J 5/00). A device for plastic structuring of metals allows to obtain a nanocrystalline metal structure in fewer processing cycles by increasing the degree of deformation per cycle and increasing the dimensions of the workpiece. This device does not provide a uniform stress-strain state over the entire volume of the workpiece, and, consequently, does not provide a uniform workpiece structure, which is uniformly equal with healed casting defects, since the metal flow is uneven in the matrix channel. When exposed to a hollow punch, material bulges in the free region, and on the opposite side in the center, the workpiece metal moves away from the plate. When exposed to a small punch, the free end of the workpiece bends and folds are formed, as well as bends and voids.

Задачей изобретения является получение заготовок с однородной равноплотной структурой, с залеченными дефектами литейного происхождения за счет создания однородного напряженно-деформированного состояния, исключения выпучиваний, загибов, складок и пустот, а также максимальной проработкой материала заготовки.The objective of the invention is to obtain blanks with a homogeneous equal density structure, with healed defects of foundry origin by creating a uniform stress-strain state, eliminating buckling, bends, folds and voids, as well as maximizing the workpiece material.

Поставленная задача достигается тем, что в способе пластического структурообразования металлов, включающем закрытую осадку заготовки, ее обратное выдавливание с одного торца, которые осуществляют посредством матрицы и двух пуансонов, отличающемся тем, что используют подвижную матрицу и пуансоны, один из которых является верхним, первоначально осуществляют открытую осадку заготовки, затем ее закрытую осадку и закрытую прошивку, которую осуществляют с одного торца заготовки путем приложения деформирующего усилия на ее верхний торец от верхнего пуансона и создания усилия противодавления на боковую часть заготовки посредством подвижной матрицы, а затем осуществляют обратное выдавливание путем воздействия подвижной матрицей на боковую часть заготовки, а верхним пуансоном - на центральную часть ее торца.The problem is achieved in that in the method of plastic structuring of metals, including closed draft of the workpiece, its back extrusion from one end, which is carried out by means of a matrix and two punches, characterized in that they use a movable matrix and punches, one of which is the upper one, initially carry out open draft of the workpiece, then its closed draft and closed firmware, which is carried out from one end of the workpiece by applying a deforming force to its upper end from the upper punch and create a counter-pressure force on the side of the workpiece by means of the movable die, and then reverse extrusion is carried out by acting on the side of the workpiece by the moving die, and the upper part on the central part of its end face.

То, что к заготовке прикладываются регулируемые усилия деформирования при открытой осадке, а также противодавления при закрытой осадке и закрытой прошивке, затем усилия деформирования и противодавления при обратном выдавливании позволяет создать однородное напряженно-деформированное состояние в обрабатываемом материале, исключить образование выпучиваний, загибов, складок и пустот и тем самым получить однородную равноплотную структуру материала заготовки с залеченными дефектами литейного происхождения, то, что в цикле обработки введена операция закрытой прошивки, позволяет обеспечить максимальную проработку материала заготовки.The fact that adjustable deformation forces are applied to the workpiece during open sagging, as well as backpressure during closed draft and closed flashing, then the deformation and backpressure forces during reverse extrusion make it possible to create a uniform stress-strain state in the processed material, to prevent the formation of bulges, bends, folds and voids and thereby obtain a homogeneous equal density structure of the workpiece material with healed defects of foundry origin, something that is in the processing cycle EEPROM closed Dehn operation, to provide maximum workpiece material elaboration.

Устройство для осуществления способа содержит установленные на плите матрицу и два пуансона, снабжено гидроцилиндром с приводом и плунжером в виде шайбы, использованы верхний пуансон, выполненный с полостью для рабочей жидкости и оснащенный приводом, нижний пуансон с фланцем и установленными на нем съемными полукольцами, и матрица, выполненная подвижной, причем верхний пуансон встроен в гидроцилиндр с возможностью перемещения плунжера по наружной поверхности верхнего пуансона, а приводы гидроцилиндра и верхнего пуансона выполнены независимыми.The device for implementing the method comprises a matrix and two punches mounted on the plate, equipped with a hydraulic cylinder with a drive and a plunger in the form of a washer, an upper punch made with a cavity for the working fluid and equipped with a drive, a lower punch with a flange and removable half rings mounted on it, and a matrix are used made movable, and the upper punch is built into the hydraulic cylinder with the ability to move the plunger on the outer surface of the upper punch, and the hydraulic cylinder and upper punch drives are not The dependence.

То, что в устройстве приводы верхнего пуансона и гидроцилиндра выполнены независимыми, обеспечивает создание необходимых величин усилий деформирования и противодавления, позволяет получить однородное напряженно-деформированное состояние в материале заготовки, а также за счет этого однородную равноплотную структуру, с залеченными дефектами литейного происхождения, предотвратить образование выпучивания, складок, загибов, и пустот.The fact that the drives of the upper punch and hydraulic cylinder are made independent in the device ensures the creation of the necessary strain and counterpressure forces, allows to obtain a uniform stress-strain state in the workpiece material, and also due to this a uniform equal density structure with healed casting defects, to prevent formation bulging, creases, bends, and voids.

Применение двух полуколец, которые извлекаются из устройства в момент начала обратного выдавливания, позволяет сократить зону непроработанности материала заготовки и тем самым снизить количество отбракованного металла при дальнейшей обработке.The use of two half rings, which are removed from the device at the time of the beginning of the reverse extrusion, allows you to reduce the zone of undeveloped material of the workpiece and thereby reduce the amount of rejected metal during further processing.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства в исходном положении, на фиг.2 - процесс открытой осадки, на фиг.3 - процесс закрытой осадки, на фиг.4 - процессе закрытой прошивки, на фиг.5 - процесс выдавливания.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of the device in its original position, figure 2 - the process of open draft, figure 3 - the process of closed draft, figure 4 - the process of closed firmware, figure 5 - extrusion process.

Устройство для способа пластического структурообразования металлов содержит матрицу 1 и два пуансона 2, 3, один из которых, верхний 3, выполнен с полостью 4 и встроен в гидроцилиндр 5, который оснащен плунжером 6, выполненным в виде шайбы с возможностью перемещения по наружной поверхности верхнего пуансона, при этом приводы верхнего пуансона и гидроцилиндра выполнены независимыми, а фланец нижнего пуансона снабжен съемными полукольцами 7 и 8.The device for the method of plastic structural formation of metals contains a matrix 1 and two punches 2, 3, one of which, the upper 3, is made with a cavity 4 and is integrated into the hydraulic cylinder 5, which is equipped with a plunger 6, made in the form of a washer with the ability to move on the outer surface of the upper punch while the drives of the upper punch and the hydraulic cylinder are independent, and the flange of the lower punch is equipped with removable half rings 7 and 8.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Металлическая заготовка подвергается сначала открытой осадке (фиг.2), затем закрытой осадке (фиг.3) и закрытой прошивке (фиг.4) под воздействием усилия деформирования Р на верхний торец заготовки. С боковой части в момент закрытой осадки и закрытой прошивки на заготовку 9 оказывает влияние усилие противодавления P₁. При прохождении металлом более 90% от высоты исходной заготовки начинается операция выдавливания (фиг.5), при которой усилие деформирования P_обр прикладывается к боковой части, а усилие противодавления Р_обр1 к верхнему торцу заготовки. Далее цикл начинается с операции закрытой осадки и повторяется необходимое число раз.The metal billet is exposed first to an open draft (FIG. 2), then a closed draft (FIG. 3) and a closed piercing (FIG. 4) under the influence of a deformation force P on the upper end of the workpiece. From the side at the time of closed draft and closed firmware on the workpiece 9 is influenced by the back pressure P ₁ . When the metal passes more than 90% of the height of the initial billet, an extrusion operation begins (Fig. 5), at which the deformation force P _{arr is} applied to the side and the back pressure P _arr1 to the upper end of the billet. Next, the cycle begins with a closed draft operation and is repeated as many times as necessary.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На фланец нижнего пуансона 2 монтируются два полукольца 7 и 8. Металлическую заготовку 9 помещают в матрицу 1, установленную на полукольцах 7 и 8 до упора в нижний пуансон 2 (фиг.1). Затем на заготовку 9 при помощи механизма подач 10 устанавливают устройство: гидроцилиндр 5 с плунжером 6 и верхний пуансон 3 с полостью 4. Под воздействием рабочей жидкости, функционирующей в полости 4 верхнего пуансона 3, он начинает свое движение вниз и создает необходимое усилие деформирования Р, при помощи которого осуществляется открытая осадка заготовки (фиг.2). При заполнении свободной полости матрицы начинается процесс закрытой осадки, при котором матрица 1 начинает поднимать плунжер 6 гидроцилиндра 5, при этом гидроцилиндр 5 работает на слив. В свою очередь плунжер 6 создает необходимую величину противодавления P₁ на верхний торец матрицы 1 и боковую часть заготовки 9 для равномерного заполнения рабочей полости материалом (фиг.3). В момент внедрения верхнего пуансона 3 в тело заготовки 9 начинается процесс закрытой прошивки (фиг.4), который, при прохождении металлом более 90% от первоначальной высоты заготовки, останавливается и начинается процесс обратного выдавливания подвижной матрицей 1 (фиг.5). В момент начала обратного выдавливания из устройства извлекаются полукольца 7 и 8 (с целью максимальной проработки материала заготовки). В полость А гидроцилиндра 5 подается рабочая жидкость и на плунжер 6 начинается воздействие рабочей жидкостью под давлением, необходимым для создания усилия деформирования Р_обр. В свою очередь в верхнем пуансоне 3 происходит слив рабочей жидкости из полости 4 до величины давления, достаточного для создания усилия противодавления Р_обр1, необходимого для равномерного течения процесса выдавливания, а именно: препятствующего образованию складок и отходу металла от верхней поверхности нижнего пуансона 2 в районе серединной линии в процессе выдавливания. При остатке непродеформированного металла не более 10% цикл повторяется необходимое число раз до получения однородной равноплотной структуры материала заготовки.Two half rings 7 and 8 are mounted on the flange of the lower punch 2. The metal blank 9 is placed in the matrix 1 mounted on the half rings 7 and 8 until it stops in the lower punch 2 (Fig. 1). Then, on the workpiece 9, using the feed mechanism 10, a device is installed: a hydraulic cylinder 5 with a plunger 6 and an upper punch 3 with a cavity 4. Under the influence of the working fluid functioning in the cavity 4 of the upper punch 3, it starts its downward movement and creates the necessary deformation force P, by which an open draft of the preform is carried out (figure 2). When filling the free cavity of the matrix, a closed precipitation process begins, in which the matrix 1 begins to lift the plunger 6 of the hydraulic cylinder 5, while the hydraulic cylinder 5 works to drain. In turn, the plunger 6 creates the necessary amount of back pressure P ₁ on the upper end of the matrix 1 and the side of the workpiece 9 to uniformly fill the working cavity with material (Fig.3). At the time of introduction of the upper punch 3 into the body of the workpiece 9, the process of closed flashing begins (Fig. 4), which, when the metal passes more than 90% of the initial height of the workpiece, stops and the process of reverse extrusion by moving matrix 1 begins (Fig. 5). At the beginning of the reverse extrusion, half rings 7 and 8 are removed from the device (with the aim of maximizing the workpiece material). The working fluid is supplied into the cavity A of the hydraulic cylinder 5 and the action of the working fluid under the pressure necessary to create a deformation force P _arr . Begins on the plunger 6. In turn, in the upper punch 3, the working fluid is drained from the cavity 4 to a pressure sufficient to create a back pressure P _arr1 , which is necessary for a uniform extrusion process, namely, preventing wrinkling and metal escape from the upper surface of the lower punch 2 in the region midline during extrusion. When the remainder of the non-deformed metal is not more than 10%, the cycle is repeated as many times as necessary until a homogeneous, equally dense structure of the workpiece material is obtained.

Предлагаемый способ и устройство были опробованы на опытной конструкции в лабораторных условиях при деформировании свинцовых заготовок размером ⌀ 35 мм, L 120 мм. Высота конструкции при опущенном гидроцилиндре составляет 550 мм, ⌀ 150 мм. Для опускания наружного пуансона на заготовку может быть использован механизм подач 10, состоящий из рейки, находящейся в зацеплении с червяком, и механизма управления. Высота продеформированной заготовки определялась по тарировке на верхнем пуансоне.The proposed method and device were tested on an experimental design in laboratory conditions when deforming lead blanks of size ⌀ 35 mm, L 120 mm The height of the structure with the hydraulic cylinder lowered is 550 mm, ⌀ 150 mm. To lower the outer punch onto the workpiece, a feed mechanism 10 can be used, consisting of a rack engaged with the worm and a control mechanism. The height of the deformed workpiece was determined by calibration on the upper punch.

Исследование образцов в процессе опробования предлагаемых способа и устройства показало, что течение материала в канале деформирования равномерно, отсутствует выпячивание металла заготовки и складкообразование, материал не отходит от стенок и основания матрицы, обеспечивается заполнение пустот.The study of samples in the process of testing the proposed method and device showed that the flow of material in the deformation channel is uniform, there is no bulging of the workpiece metal and folding, the material does not leave the walls and base of the matrix, and void filling is ensured.

Деформирование подготовленных заготовок с заранее нанесенной сеткой на плоскости разреза показало, что в материале заготовки создается однородное напряженно-деформированное состояние, заготовка имеет однородную равноплотную структуру с залеченными дефектами литейного происхождения.Deformation of prepared preforms with a pre-applied grid on the cutting plane showed that a uniform stress-strain state is created in the preform material, the preform has a uniform, equally dense structure with healed casting defects.

Способ и устройство позволяют максимально проработать металл в цикле прессования и получить заготовки, в зависимости от дальнейшего их использования, в виде полого и сплошного цилиндров разных диаметров.The method and device allows you to work out the metal as much as possible in the pressing cycle and obtain billets, depending on their further use, in the form of hollow and solid cylinders of different diameters.

Предложенное устройство целесообразно использовать в заготовительном производстве машиностроительных предприятий для получения заготовок с измельченной однородной равноплотной структурой для дальнейшего изготовления высоконагруженных деталей в машиностроении, авиастроении, медицинской технике, нефтехимии.The proposed device is advisable to use in the procurement of machine-building enterprises to obtain blanks with a crushed homogeneous equal density structure for the further manufacture of highly loaded parts in mechanical engineering, aircraft manufacturing, medical equipment, petrochemicals.

Claims

1. The method of plastic structure formation of metals, including closed draft of the preform, its back extrusion from one end, which is carried out by means of a matrix and two punches, characterized in that they use a movable matrix and punches, one of which is the upper one, initially carry out an open draft of the preform, then its closed draft and closed firmware, which is carried out from one end of the workpiece by applying a deforming force to its upper end from the upper punch and creating an anti- watering to the side of the workpiece by means of a movable matrix, and then reverse extrusion is carried out by applying the moving matrix to the side of the workpiece, and the upper punch to the central part of its end face.

2. A device for plastic structuring of metals, containing a matrix and two punches mounted on the plate, characterized in that it is equipped with a hydraulic cylinder with a drive and a plunger in the form of a washer, an upper punch made with a cavity for the working fluid and equipped with a drive, a lower punch with a flange and removable semicircles mounted on it and the matrix made movable, the upper punch being built into the hydraulic cylinder with the ability to move the plunger along the outer surface of the upper punch, and when the water of the hydraulic cylinder and the upper punch are independent.