ОПТИМІЗАЦІЯ ГЕОМЕТРІЇ МАТРИЧНОЇ ВОРОНОКИ ПРИ ПРЕСУВАННІ

Воскобойник Д.О.

Запорізька державна інженерна академія, Україна

ОПТИМІЗАЦІЯ ГЕОМЕТРІЇ МАТРИЧНОЇ ВОРОНОКИ ПРИ ПРЕСУВАННІ

Оптимізація технологічних параметрів процесів пресування металів з метою одержання виробів з мінімальними енергосиловими параметрами представляє великий науковий і практичний інтерес.

Напружений і деформований стан металу й розміри очагу деформації при пресуванні суттєво залежать від конструкції інструмента й, зокрема, від форми матричної вороноки [1,2]. У більшості випадків при пресуванні застосовують матриці, форма яких відповідає усіченому конусу з кутом утворюючої до осі симетрії α від 45° до 60°. Однак, матричні вороноки, виконані по конусу, не забезпечують оптимальні енергосилові показники пресування.

Крім конічних у практиці металообробки тиском застосовуються й інші профілі матричних воронок. Профіль, що вигинається, побудований по циклоїді з радіусом R_ц, обумовлений умовою найбільшої рівномірності пластичного плину металу в матричній воронокі [3]. Утворююча матриці, побудована по циклоїді, забезпечує найменший час знаходження периферійних шарів металу в очагу деформації, що, у свою чергу, приводить і до мінімальної неоднорідності металу по поперечному перерізу прес-виробу. Радіус циклоїди R_ц визначається по формулі:

де R_о - радіус контейнера; R - радіус очка матриці.

Опуклий профіль, побудований по експоненті, аргументований у роботі [1] умовою сталості логарифмічної деформації λ_z на одиницю висоти матричної вороноки:

де h - висота матричної вороноки; R_z - радіус вороноки на відстані z від її початку.

Опуклий профіль, запропонований у роботі [4], обґрунтований умовою забезпечення сталості усередненої швидкості деформації по висоті матричної вороноки:

При пресуванні кольорових металів і сплавів через прямокутну матрицю (α = 90°) було виявлено [5], що в контейнері утворюються "загальмовані" зони металу, які формують "природню" матричну вороноку, близьку за формою до сфери. Р. Хилл [6] теоретично обґрунтував, що границі, що розділяють пружні й пластичні зони, є лініями ковзання або лініями, що обгинають. При цьому форма цієї границі, за даними досліджень А.І. Батурина [5], суттєво не залежить від ступеня деформації, швидкості пресування, температури заготовки й природи сплаву.

Таким чином, дотепер не існує єдиної точки зору про вплив геометрії очагу деформації на енергосилові параметри процесу пресування металів. Нами проведене дослідження з визначення профілю матричної вороноки на підставі аналізу поля ліній ковзання стадії, що встановився, пресування через симетричну одноочкову матрицю. Така постановка завдання дослідження підтверджується спостереженнями В. Джонсона й X. Кудо [7], О. Ричмонда й Х.Г. Моррисона [8], Б.А. Друянова й Р.І. Непершина [9,10]: у процесі, що встановився, прямого пресування поле ліній ковзання залишається фіксованим за формою й не змінюється в часі.

Досліджували наступні типи профілів матричних воронок: увігнуту по циклоїді, побудовану згідно із залежністю (1); опуклу по логарифмічній залежності (2); опуклу, розраховану відповідно до (3); конусну й увігнуту, побудовану по лінії ковзання, що відокремлює пружну зону від пластичної в процесі пресування (рисунок 1).

Енергосилові параметри пресування (середні питомі зусилля) для конічної матриці оцінювалися по залежності [11]:

де σ_s - дійсний опір деформуванню, МПа; С₁ = 0,398 - постійна; θ₁ - кут утворюючої конуса з віссю симетрії; λ - логарифмічний ступінь деформації:

Рівняння (4) поширюється й на інші типи матриць (увігнуті й опуклі) при заміні криволінійної утворюючої матричної вороноки системою i-малих конусів, що сполучаються, зі змінними θ₁_i і λ_i. Тоді середні питомі зусилля для всіх типів перерахованих матриць будуть сумами середніх питомих зусиль кожної ділянки, розрахованих по (4):

Результати розрахунків енергосилових параметрів пресування по формулі (4) представлені на рис. 2. При цьому сумарні відносні питомі зусилля пресування q/σs для першої опуклої логарифмічної матриці становлять 239,93; для другої опуклої логарифмічної - 303,01; для конусної - 236,22; для ввігнутої по циклоїді - 238,99; для ввігнутої по лінії ковзання - 230,91.

Рис. 1. Поле ліній ковзання для стадії, що встановився, пресування й профілі матричних воронок: 1 - перша опукла логарифмічна; 2 - друга опукла логарифмічна; 3 - конусна; 4 - увігнута по циклоїді; 5 - увігнута по лінії ковзання

Аналіз силових параметрів пресування показав істотну перевагу увигнутих профілів матриць щодо інших профілів. При пресуванні через матрицю, профіль якої виконаний по лінії ковзання, що відокремлює пластичну зону від пружної (див. рис. 2, крива 5), відзначені найменші енергосилові витрати в порівнянні із профілем циклоїдної матриці (див. рис. 2, крива 4). При цьому профіль матриці, виконаний по лінії ковзання, що відокремлює пластичну зону від пружної, має перевагу в порівнянні із профілем циклоїдної матриці. Так для різних ступенів витяжки лінія ковзання, що відокремлює пружні зони від пластичних, буде в кожному окремому випадку різна, а при μ ≤ 4 (R₀/R_отв ≤ 2) лінія ковзання буде мати нахил до осі симетрії кут 45, і в цьому випадку криволінійний профіль матриці перетвориться в конусний.

Рис. 2. Розподіл відносних питомих зусиль по профілю матричних воронок (позначення кривих відповідає порядковим номерам матриць)

У той же час циклоїдний профіль, згідно [2], будується через дві вузлові крапки: перша - крапка гострої крайки очка матриці, друга – крапка сполучення профілю матриці й контейнера, ордината якої дорівнює висоті конусної матриці. Отже, для різних ступенів витяжки профіль циклоїдної матриці буде постійним, що носить тривіальний характер.

Експериментальна перевірка теоретичних положень проводилася нами при пресуванні дискретних тіл (гранул). Особливості характеру плину гранул, наявність міжгранулярного контактного тертя дає можливість більш переконливо показати розподіл результуючих деформацій у вогнищі пресування. Для цього використовували наступні типи матриць: матриця із профілем, побудованим по лінії ковзання, що відокремлює пружні зони від пластичних; опукла логарифмічна, побудована згідно із залежністю (2), що й має із двох опуклих воронок найменші енергосилові характеристики пресування; а також конусна. Загальний вид прес-залишків для кожного типу матриць наведений на рис. 3.

Результати дослідження кінетики плину дискретного середовища (гранул) показали (див. рис. 3), що форма матричної вороноки впливає на її розміри очагу деформації й розподіл результуючих деформацій у випрісовці. З аналізу деформацій гранул випливає, що для ввігнутої вороноки, побудованої по лінії ковзання, характерне скривлення осісиметричних часток у напрямку деформації. Ці скривлення зменшуються в міру руху гранул до осі симетрії матриці (див. рис. 3,а). Відзначене, що для опуклої вороноки (див. рис. 3,б) довжина очагу деформації найбільша; для конічної (див. рис. 3,в) плин металу близько до радіального в напрямку усіченого конуса.

Рис. 3. Зразки прес-залишків, отримані при пресуванні литих гранул через увігнуту (а), опуклу (б) і конічну (в) матричні вороноки

Висновок. Результати теоретичних і експериментальних досліджень показали, що оптимальні енергосилові умови досягаються при пресуванні через матрицю, що має профіль, виконаний по лінії ковзання.

ЛІТЕРАТУРА

1. Норицин И.А., Акаро И.Л., Перфилов А.А. Влияние профиля матричной воронки на параметры процесса прямого прессования // Кузнечно-штамповочное производство. - 1971. - №12. - С. 1-8.

2. Сафаров ЮС, Геращенко В.И. К вопросу о выборе оптимальной геометрии инструмента при прессовании // Кузнечно-штамповочное производство. — 1971. -№12. - С. 8 - 12.

3. Глебов Ю.П., Перлин И.М. О форме упругой зоны матрицы при прессовании через одноканальную матрицу // Известия вузов. Цветная металлургия. - 1961.- №2. - С. 27 - 30.

4. Норицын И.А. Анализ скоростных параметров прямого прессования и волочения // Процессы штамповки и их технологические параметры. Сб. МАМИ. - М.: Машгиз, 1959. - С. 117 - 127.

5. Батурин А.И. Влияние технологических параметров на размеры и форму очага деформации при прямом способе прессования алюминиевых сплавов через плоскую матрицу// Кузнечно-штамповочное производство. - 1970. -№1. - С. 6 - 8.