Способ волочения порошковой проволоки в режиме гидродинамического трения и устройство для его осуществления

22 5/12 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ВОЛОЧЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ В РЕЖИМЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Белорусская государственная политехническая академия(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(57) 1. Способ волочения порошковой проволоки в режиме гидродинамического трения, включающий протягивание заготовки через напорный элемент с одновременным нагнетанием под давлением жидкой смазки в очаг деформации и ее волочение через размещенную за напорным элементом волоку, отличающийся тем,что перед протягиванием заготовки через напорный элемент производят ее периодическое радиальное обжатие и заполнение полученных пережимов жидкой смазкой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодическое радиальное обжатие заготовки производят с длиной пережимов(0,70,8 ),где- шаг периодического радиального обжатия заготовки,и обжатием(1, 251,45),где- высота микронеровностей поверхности заготовки. 3076 1 3. Устройство для волочения порошковой проволоки в режиме гидродинамического трения, включающее смонтированные в корпусе волоку и выполненный из фторопласта упругий напорный элемент, поджатый к волоке гайкой, и установленную перед волокой мыльницу для жидкой смазки, отличающееся тем, что оно снабжено установленным перед мыльницей средством для периодического радиального обжатия заготовки,включающим приводное колесо с кольцевой -образной канавкой на его боковой поверхности, в которой установлен связанный выступами с колесом вкладыш из упругоэластичного материала, выступающий над боковой поверхностью колеса на величину а, определяемую из выражения 12 2 а 2( 00 )21000 ,2 02 где 0 и 1 - радиусы кольцевой полости вкладыша до и после его обжатия 0 - толщина вкладыша,и в котором равномерно по окружности поперек его оси выполнены прорези глубиной, равной высоте выступающей над боковой поверхностью колеса его части, и шириной, равной величине перемычки К заготовки, и установленный над колесом с возможностью контакта с его боковыми поверхностями неподвижный башмак, при этом торец волоки, контактирующий с упругим напорным элементом, выполнен под углом к вертикали, равным углу трения. Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии изготовления длинномерных изделий из порошков в металлической оболочке. Известно устройство для полунепрерывного гидропрессования длинномерных заготовок преимущественно из порошковых материалов, содержащее контейнер с системами уплотнений и подачи жидкости высокого давления, расположенные в нем уплотнительную и экструзионную матрицы и узел зажима и подачи заготовки в виде установленной с возможностью принудительного возвратно-поступательного осевого перемещения обоймы с конусной внутренней поверхностью, направляющей и взаимодействующих с обоймой наклонными поверхностями с равномерно установленными на них шариками прижимов, размещенных по кругу с зазором между их торцами, вкладышем в виде полого тела вращения с наружными выступами, армированными в осевом направлении металлическими тросиками, жестко соединенным с внутренней поверхностью прижимов, установленным выступами в зазорах между торцами прижимов, выполненным из упругоэластичного материала, при этом выступы выполнены с наклоном стенок относительно плоскости симметрии под углом, равным углу трения, а в уплотнительной и экструзионной матрицах выполнены сквозные концентричные пазы под направляющую, жестко соединенную с обоймой, и узла возвратно-поступательного осевого перемещения обоймы в виде пневмоцилиндра 1. Так как процесс прессования порошковой проволоки в данном устройстве осуществляется периодически,то на начальном этапе каждого цикла прессования из-за недостаточного развития гидродинамического эффекта во входной зоне экструзионной матрицы наблюдается граничный режим трения, что приводит к схватыванию поверхностей проволоки и матрицы, задирам на поверхности проволоки, при этом диаметр проволоки периодически колеблется по длине от максимального в начале каждого цикла прессования до минимального в конце его на удвоенную толщину слоя смазки, формируемой в очаге деформации в конце цикла прессования. Кроме того, прессование порошковой проволоки в уплотнительной матрице осуществляется в сухом режиме трения, что также приводит к схватыванию поверхностей проволоки и матрицы, задирам, особенно при прессовании порошковых проволок, содержащих алюминиевые оболочки. Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ волочения порошковой проволоки в режиме гидродинамического трения, включающий нагнетание жидкой смазки в очаг деформации под давлением путем протягивания заготовки через напорный элемент и волочение через размещенную за ним волоку 2. Однако при изготовлении порошковых проволок, содержащих пирофорные порошковые смеси и имеющих поэтому низкую допустимую температуру нагрева, для исключения деформационного разогрева проволоки и влияния воздушных потоков в порошке при уплотнении, причем наличие воздуха или кислорода в порошке для таких смесей желательно, волочение проволоки необходимо осуществлять с низкими скоростями, что затрудняет создание устойчивого режима гидродинамического трения в очаге деформации. Это приводит к увеличению сил трения в очаге деформации, а следовательно, к увеличению усилия волочения, к 3076 1 уменьшению единичных обжатий за проход и производительности гидродинамического волочения, повышенному износу волок, схватыванию металлов проволоки и волоки, задирам. Известна сборная волока для волочения порошковой проволоки в режиме гидродинамического трения,состоящая из напорной и калибрующей волок, конической зажимной втулки, уплотнения и разъемного корпуса 2. Недостатком сборной волоки является малая длина напорной волоки, что не всегда обеспечивает создание достаточно высокого давления смазки, особенно при низких скоростях волочения, и не позволяет создать устойчивый режим гидродинамического трения в очаге деформации проволоки в калибрующей волоке. Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для волочения в режиме гидродинамического трения, состоящее из волоки, установленного перед волокой упругого напорного элемента, выполненного из фторопласта, корпуса и гайки 3. Устройство позволяет изменять зазор между поверхностями упругого напорного элемента и заготовки и таким образом использовать устройство для волочения заготовок с различными диаметром и колебанием диаметра заготовки по длине без смены напорного элемента, т.е. сделать устройство более универсальным. Однако устройство не обеспечивает создание режима гидродинамического трения на начальном периоде волочения, а при низких скоростях волочения режим гидродинамического трения трудно осуществим. Кроме того, из-за наличия сил трения на контакте волоки с упругим напорным элементом при поджатии последнего гайкой напорный элемент деформируется неравномерно по длине. В результате из-за изменения зазора между напорным элементом и заготовкой по длине элемента наблюдается его нестабильная нагнетающая способность. Задача изобретения - создание устойчивого режима гидродинамического трения в очаге деформации при волочении порошковой проволоки с низкими скоростями. Поставленная задача решается с помощью того, что в известном способе, включающем протягивание заготовки через напорный элемент с одновременным нагнетанием под давлением жидкой смазки в очаг деформации и ее волочение через размещенную за напорным элементом волоку, при этом перед протягиванием заготовки через напорный элемент производят ее периодическое радиальное обжатие и заполнение полученных пережимов жидкой смазкой. Еще способ отличается тем, что периодическое радиальное обжатие заготовки производят с длиной пережимов(0,70,8) где- шаг периодического радиального обжатия заготовки,и обжатием(1,251,45)где- высота микронеровностей поверхности заготовки. Поставленная задача решается также с помощью того, что в известном устройстве, включающем смонтированные в корпусе волоку и выполненный из фторопласта упругий напорный элемент, поджатый к волоке гайкой, и установленную перед волокой мыльницу для жидкой смазки, при этом оно снабжено установленным перед мыльницей средством для периодического радиального обжатия заготовки, включающим приводное колесо с кольцевой -образной канавкой на его боковой поверхности, в которой установлен связанный выступами с колесом вкладыш из упругоэластичного материала, выступающий над боковой поверхностью колеса на величину, определяемую из выражения 12 22 а 2( 00 )12000 ,2 0 где 0 и 1 - радиусы кольцевой полости вкладыша до и после его обжатия 0 - толщина вкладыша,и в котором равномерно по окружности поперек его оси выполнены прорези глубиной, равной высоте выступающей над боковой поверхностью колеса его части, и шириной, равной величине перемычки К заготовки, и установленный под колесом с возможностью контакта с его боковыми поверхностями неподвижный башмак, при этом торец волоки, контактирующий с упругим напорным элементом, выполнен под углом к вертикали, равным углу трения. На фиг. 1 показан продольный разрез устройства в процессе сжатия жидкой смазки в пережиме на фиг.2- разрез А-А на фиг. 1 на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1 на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1. Устройство для волочения порошковой проволоки в режиме гидродинамического трения состоит из волоки 1, упругого напорного элемента 2, корпуса 3, гайки 4, мыльницы 5, поджатой пружиной 6 к гайке 4, уплотнений 7 и 8 мыльницы 5. Для равномерности деформации упругого напорного элемента 2, выполненного из фторопласта, по его длине на боковой поверхности элемента 2 выполнено поднутрение 9, заполненное жидкой смазкой, а поверхность 10 волоки, контактирующая с напорным элементом 2, выполнена под угломк вертикали, равным углу трения. Перед мыльницей 5 размещено на валу 11 колесо 12, на боковой поверхности которого в -образной кольцевой канавке 13 установлен вкладыш 14 из упругоэластичного материала,3 3076 1 связанный выступами с колесом 12, при этом вкладыш 14 выступает над боковой поверхностью колеса 12 на величину . Во вкладыше 14 равномерно по окружности поперек его оси выполнены прорези глубиной, равной высоте выступающей над боковой поверхностью колеса части вкладыша , и шириной, равной величине перемычки К заготовки. Над колесом 11 установлен неподвижный башмак 16 с контактом по боковой поверхности колеса 12. В башмаке 16 на входе заготовки выполнена наклонная плоскость 17 шириной, равной ширине вкладыша 14. На поверхность башмака 16, контактирующую с вкладышем 14, нанесен антифрикционный фторопластовый слой. Колесо 12 установлено с возможностью вращения в направлении волочения и снабжено приводом вращения (на чертеже не показан). Для создания устойчивого режима гидродинамического трения в очаге деформации должно выполняться неравенство(1) 0,где 0 - толщина смазочного слоя на входе в очаг деформации- высота микронеровностей поверхности заготовки. Объем жидкой смазки, находящейся в пережиме, должен быть достаточным для создания устойчивого режима гидродинамического трения по всей длине шага периодически обжатой заготовки, при этом сжатая жидкая смазка в пережиме 18 перед волокой должна обжать сначала упруго, а затем и пластически перемычку 19 оболочки заготовки. С учетом того, что где 0 - диаметр перемычки заготовки- шаг периодического радиального обжатия заготовки- длина пережима заготовки. После преобразований получим, Длина пережима , которая определяет объем жидкой смазки, влияет на колебание давления смазки перед очагом деформации. При большой длине пережима, а следовательно, большом объеме смазки происходит более медленное нарастание давления смазки в пережиме и поэтому более резкое (значительное) колебание давления смазки перед очагом деформации. Экспериментальными исследованиями установлено, что длина пережима должна составлять(0,70,8). От величины перемычки К заготовки зависит величина давления жидкой смазки в пережиме. При небольшой величине перемычки из-за небольших гидравлических потерь течения смазки в тонком зазоре между перемычкой и поверхностью упругого напорного элемента смазка перетекает в следующий пережим. Поэтому давление жидкой смазки в пережиме перед волокой невелико и не обеспечивает создания устойчивого режима гидродинамического трения в волоке. При больших величинах перемычек заготовок сжатая жидкая смазка из-за гидравлических потерь в тонком зазоре между перемычкой и поверхностью упругого напорного элемента не деформирует, т.е. не обжимает радиально упруго, а затем и пластически перемычку, в результате чего из-за изменения режима трения заготовки по длине, а именно на участках пережимов существует гидродинамический режим трения в очаге деформации, а на перемычках - граничный режим трения, что, следовательно, ведет к колебанию диаметра проволоки по длине, повышенному износу волок, задирам. Таким образом,(6)(1,251,45), Экспериментальными исследованиями установлено, что длина пережима должна составлять 1015 мм для исследованных диаметров 1,58 мм заготовок порошковых проволок. Длина упругого напорного элемента н связана с шагомпериодического радиального обжатия заготовки соотношением(7)2 ,обеспечивающим предотвращение прорыва сжатой жидкой смазки перед волокой в мыльницу. Размер , определяющий выступающую над боковой поверхностью колеса 12 часть вкладыша 14, определяется равенством площади поперечного сечения 0 недеформированного упругоэластичного вкладыша(фиг. 2) площади поперечного сечения 1 упругоэластичного вкладыша, осуществляющего обжатие заготовки на величину(фиг.3). При этом соблюдается равенство 0011 ,(8) где 0 и 1 - радиусы кольцевой полости вкладыша до и после его обжатия 4 3076 1 0 и 1 - толщины вкладыша до и в конце обжатия заготовки. Площадь поперечного сечения вкладыша до обжатия равна 2 0(00 ) 2020 (11) . 2 2 Площадь поперечного сечения вкладыша в конце обжатия вкладышем заготовки равна 2 1( 00 ) 221 . 2 С учетом практической несжимаемости упругоэластичного материала имеем 01. Устройство работает следующим образом. Заполненную порошком длинномерную оболочку подают в кольцевую полость вкладыша 14. При вращении колеса 11 заготовка затягивается в зазор между неподвижным башмаком 16 и вкладышем 14 колеса 11, где периодически обжимается по длине. Далее периодически обжатая заготовка поступает через уплотнение 7 в мыльницу 5, где полученные пережимы 18 заполняются жидкой смазкой. Далее заготовка поступает в упругий напорный элемент 2, при этом между перемычкой 19 заготовки и внутренним отверстием напорного элемента 2 отсутствует зазор. На выходе проволоки из волоки 1 она захватывается зажимом волочильного стана. При перемещении заготовки через волоку 1 жидкая смазка, находящаяся в пережиме 18, сжимается до давления, необходимого для формирования устойчивого режима гидродинамического трения. Одновременно сжатая жидкая смазка действует на конусную поверхность пережима 18 сначала упруго, а затем пластически деформируя перемычку 18. Сжатая жидкая смазка,проникая в следующий пережим, вызывает рост давления смазки в нем. Пример 1. Получали специальную порошковую проволоку из заготовки, содержащей медную оболочку марки М 4 наружным диаметром 8 мм, толщиной стенки 0,5 мм и сердечника - пирофорной порошковой смеси, состоящей из 90 по весу ниобия марки ПНП-1 с размером частиц меньше 40 мкм и 10 по весу хромата бария ВаСО 4. По технологическим условиям скорость волочения составляла не более 0,05 м/с и известным способом устойчивый режим гидродинамического трения в очаге деформации было невозможно получить. Поэтому гидродинамический режим трения в очаге деформации создавали разработанным способом. Высота микронеровностей поверхности заготовки составляла 30 мкм. На поверхности заготовки периодически осуществляли пережимы длиной 10 мм с шагом 12,5 мм, при этом длина перемычки составляла 2,5 мм. Величина обжатиясоставляла 37,5 мкм. Пережимы заготовки осуществляли колесом диаметром 200 мм с приводом вращения. На боковой поверхности колеса установлен -образный вкладыш из упругоэластичного материала - полиуретана, выступающий над боковой поверхностью колеса на высоту 5,3 мм. Во вкладыше выполнены периодические по длине окружности прорези глубиной 5,3 мм и шириной 2,5 мм. В качестве жидкой смазки использовали касторовое масло с добавкой 3 по весу дисульфида молибдена. Замеры диаметра проволоки после волочения показали на устойчивый режим гидродинамического трения в очаге деформации с толщиной смазочной пленки на протянутой проволоке 31 мкм, при этом усилие волочения составляло 890 н. В табл. 1 показано влияние отношения шага периодического радиального обжатия заготовки к длине пережима на режим трения в очаге деформации проволоки. Таблица 1 Режим трения в очаге деформации Граничный режим трения Граничный режим трения Граничный режим трения Гидродинамический режим трения Гидродинамический режим трения Гидродинамический режим трения Гидродинамический режим трения Граничный режим трения на участках перемычек проволоки Граничный режим трения на участках перемычек проволоки Граничный режим трения на участках перемычек проволоки 5 3076 1 Как видно из приведенной табл.1, при отношениях / равных 1,251,45, в очаге деформации наблюдается гидродинамический режим трения по всей длине проволоки. При изготовлении специальной порошковой проволоки данного состава известным способом со скоростью волочения 0,05 м/с в очаге деформации наблюдался граничный режим трения, на что указывали следы схватывания поверхностей проволоки и волоки и задиры, при этом толщина смазочной пленки была меньше высоты микронеровностей поверхности заготовки. Усилие волочения составляло 1210 н. Из-за значительных по величине продольных растягивающих напряжений в оболочке проволоки наблюдалось ее более интенсивное удлинение и проволока имела гораздо меньшую плотность порошка. Пример 2. Получали специальную порошковую проволоку из заготовки, состоящей из алюминиевой оболочки марки АМц наружным диаметром 7 мм, толщиной стенки 0,8 мм и сердечника - пирофорной порошковой смеси,состоящей из 70 по весу титана маркис размером частиц меньше 80 мкм и 30 по весу перхлората калия КСО 4. По технологическим условиям скорость волочения составляла также не более 0,05 м/с и известным способом устойчивый режим гидродинамического трения в очаге деформации было невозможно получить. Поэтому гидродинамический режим трения в очаге деформации создавали разработанным способом. Высота микронеровностей поверхности заготовки составляла 50 мкм. На поверхности заготовки периодически осуществляли пережимы длиной 15 мм с шагом 18,7 мм, при этом длина перемычки составляла 3,7 мм. Величина обжатиясоставляла 62 мкм. Пережимы заготовки осуществляли колесом диаметром 175 мм с приводом вращения. На боковой поверхности колеса установлен -образный вкладыш из упругоэластичного материала - полиуретана, выступающий над боковой поверхностью колеса на высоту 4,6 мм. Во вкладыше выполнены периодические по длине окружности прорези глубиной 4,6 мм и шириной 3,7 мм. В качестве жидкой смазки использовали смесь веретенного масла (95 по весу) и растительного масла (5 по весу). Замеры диаметра проволоки после волочения показали на устойчивый режим гидродинамического трения в очаге деформации с толщиной смазочной пленки на протянутой проволоке 51 мкм, при этом усилие волочения составляло 670 н. В табл. 2 показано влияние отношения шага периодического радиального обжатия заготовки к длине пережима на режим трения в очаге деформации проволоки. Таблица 2/ п/п 1 1,1 Граничный режим трения 2 1,2 Граничный режим трения 3 1,24 Граничный режим трения 4 1,25 Гидродинамический режим трения 5 1,26 Гидродинамический режим трения 6 1,35 Гидродинамический режим трения 7 1,45 Гидродинамический режим трения 8 1,46 Граничный режим трения на участках перемычек проволоки 9 1,5 Граничный режим трения на участках перемычек проволоки 10 1,7 Граничный режим трения на участках перемычек проволоки Как видно из приведенной табл. 2, при отношениях / равных 1,251,45, в очаге деформации наблюдается гидродинамический режим трения по всей длине проволоки. При изготовлении специальной порошковой проволоки данного состава известным способом со скоростью 0,05 м/с в очаге деформации наблюдался граничный режим трения, на что указывали следы схватывания поверхностей проволоки и волоки и задиры, при этом толщина смазочной пленки была меньше высоты микронеровностей поверхности заготовки. Усилие волочения составляло 905 н. Из-за значительных по величине продольных растягивающих напряжений в оболочке проволоки наблюдалось более интенсивное удлинение и проволока имела гораздо меньшую плотность порошка. Способ и устройство могут быть использованы не только для волочения проволоки из порошка в режиме гидродинамического трения, но и для непрерывного гидропрессования или непрерывного гидропрессованияволочения порошковой проволоки. Технический результат заключается в снижении усилия волочения порошковой проволоки при низких скоростях волочения, а следовательно, увеличении степени обжатия за проход (частных степеней обжатия) и производительности процесса, улучшении качества поверхности проволоки и уменьшении износа волок. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 7