3.3.3. Пресс-формы и прессы

Конструкция пресс-форм и прессов должны обеспечивать надлежащую плотность и форму прессовок и не допускать возникновения дефектов. С повышением сложности прессовки значительно усложняется и конструкция пресс-форм. Сравним, например рис. 3.11 и рис. 3.24.

Рис. 3.24. Пресс-форма детали «шестерня»: 1 – верхний пуансон;

2 – матрица; 3 – внутренняя втулка нижнего пуансона; 4 – стержень;

5 – наружная втулка нижнего пуансона, 6 – прессовка

На рис. 3.11 представлен пример прессования простейшей цилиндрической прессовки. На рис. 3.24. показаны детали пресс-формы для прессования сложной заготовки шестерни. В последнем случае нижний пуансон состоит из трех деталей: направляющий сердечник в центре; внутренний элемент нижнего пуансона, формирующий длинную часть прессовки и внешний элемент нижнего пуансона, формирующий короткую часть прессовки. Пресс-форма в сборе показана в центре рис. 3.24

При изготовлении ступенчатых прессовок часто делают пуансоны из нескольких элементов, что позволяет придать разные перемещения этим частям пуансона и выровнять плотности в высокой и низкой частях прессовки.

При проектировании пресс-формы предварительно составляют ее эскизную схему с учетом специфических условий прессования и конструкции выбранного пресса. Размеры внутренней полости матрицы и пуансонов, определяемые размерами прессуемого изделия, рассчитывают с учетом технологических и физических свойств порошка, усадки при спекании и припусков на последующую обработку. Условия прессования требуют высокой точности изготовления пресс-форм. Для того чтобы предотвратить попадание частиц порошка в зазор между скользящими, по отношению друг к другу, элементами оснастки, величина зазора должна быть меньше размера частиц порошка. Обычно этот размер около 20 мкм. Выполнение жестких размерных требований осложняется тем, что при термической обработке имеет место деформация (поводка) деталей. Поэтому окончательная механическая обработка (шлифовка)

Выход из строя пресс-форм происходит из-за чрезмерных напряжений, вызывающих деформации растяжения, изгиба и др. Например, пуансон длиной L, нагружаемый силой F прогибается под нагрузкой с отклонением:

Δ L = F L/SE, (3.25)

где S – площадь поперечного сечения пуансона; Е – модуль нормальной упругости материала, из которого изготовлен пуансон. У пуансона из типичной инструментальной стали при давлении прессования 700 МПа Δ L = 0,3 %, а у пуансона из твердого сплава 0,1 %. Если инструментальная оснастка быстро выходит из строя, это свидетельствует о том, что механические свойства материала недостаточны, например материал не обладает требуемой прочностью. Для повышения ресурса работы следует выбрать более прочный (вязкий) материал. Если инструмент разрушается после длительной работы, выход оснастки из строя является следствием усталостного износа. В этом случае необходимо устранять концентраторы напряжений на поверхности оснастки (сглаживать острые углы, устранять царапины и шероховатость поверхности и т. п.). Это достигается шлифовкой и полировкой поверхности. Могут инициировать усталостное разрушение не только наружные, но и внутренние дефекты.

Для изготовления пресс-форм с коротким циклом работы применяются сравнительно дешевые инструментальные стали (У10, ХВГ и др.). Пресс-формы для массового производства прессовок, и в тех случаях, когда требуются высокие давления прессования, изготавливают из более дорогих, в том числе быстрорежущих сталей (3Х2В8Ф, Р6М5 и др.) и даже из твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтм (ВК20 и др.). В табл. 3.2 представлен перечень и свойства некоторых инструментальных материалов для деталей пресс-форм.

Таблица 3.2

Материалы для изготовления пресс-форм

Материал	Термическая обработка	Твердость, НRC	Микротвердость поверхности, МПа	Износ за 5000 циклов, мкм
				матрицы	пуансона
У10А 3Х2В8Ф ХВГ Х12М Р6М5 ВК20	1 2 3 4 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 -	62 56-60 38-42 60 40-42 48-45 57-60 62 61-62 48-54 57-60 62-63 58-60 55 60-61 63 65-68 60 52-54 69	- 10500 8000 11500 15000 9500 15000 - 12200 10500 15000 - 18000-20000 10500 13000-15000 - 19000-21000 11000 18000 -	14,2 8,5 10 8,6 1 5,6 5 8,3 3,8 5,3 5 4 1,7 2,5 2,4 2,4 1,7 2 1.9 0,8	9,2 7,2 8,25 2,6 1,6 4,8 3 6 2 4,2 3 3,6 0,83 2,3 0,86 - - - - -

Примечание: 1 – закалка с отпуском; 2 – борирование и закалка; 3 – закалка и азотирование; 4 – диффузионное хромирование и закалка.

Кроме упрочняющей химико-термической обработки поверхности в последние годы для дополнительного повышения износостойкости на поверхность инструмента наносят покрытия. Эти покрытия представляют собой очень тонкие пленки из твердых фаз, таких как нитриды и карбиды титана или циркония, или другие твердые фазы, включая алмазоподобные и наноструктурированные пленки.

Рис. 3.25. Схема кривошипного пресса: 1 – главный кривошип;

2 – вспомогательный кривошип; 3 – прессовая головка;

4 – отжимные пуансоны; 5 – матрица; 6 - нижний пуансон

Для прессования порошков применяются гидравлические, механические, пневматические и гибридные прессы. Работа гидравлического пресса основывается на законе Паскаля, согласно которому внешнее давление на жидкость передается ею во все стороны равномерно.

Пресс имеет два цилиндра А и В с диаметрами D и d, которые соединены между собой и заполнены жидкостью, водой или маслом. Цилиндр малого диаметра снабжен поршнем и может оказывать давление на жидкость при помощи рычага L. Клапан V служит для засасывания рабочей жидкости в цилиндр плунжера, а клапан W для подачи жидкости под поршень цилиндра большого диаметра. На поршень большого диаметра действует усилие:

Р₁ = 4Р/πd² ∙ π D²/4 = P D²/ d², (3.26)

где Р – усилие, действующее на поршень малого цилиндра. Гидравлические прессы обеспечивают возможность плавного уплотнения порошков и продолжительной выдержки прессовки под давлением.

Наиболее широкое применение в порошковой металлургии находят механические прессы различных типов от простейших винтовых с ручным приводом до прессов-автоматов с компьютерной системой управления.

На рис. 3.25 иллюстрируется принципиальная схема кривошипного пресса. Движение прессовой головки осуществляется при помощи обычного кривошипно-шатунного механизма. Вращательное движение кривошипного звена производится зубчатым или ременным приводом от электродвигателя.

Выбор типа пресса определяется количеством, качеством, формой и размерами прессуемых заготовок, в том числе поперечным сечением и требуемой плотностью прессовок, а также производительностью пресса. При проектировании прессов для порошковой металлургии в нашей стране принята шестизначная шкала мощности: 9,81; 15,69; 24,52; 39,24; 61,80 и 98,1 кN. Второй порядок мощностей получают умножением исходной шкалы на 10 (98,1; 156,9; 245,2; 392,4; 618,0 и 981 кN). Аналогично получают третий порядок мощностей. Дальнейшее наращивание мощности прессов (при необходимости) произвольно. Например, есть прессы с номинальным усилием 20, 50 и даже 720 МН.

Большинство прессов работают в режиме открытого контроля. Такой контроль предусматривает настройку пресс-формы в начале производственного цикла без изменения позиций деталей в процессе прессования. Сырые прессовки выборочно контролируют по массе и размерам, но не контролируют в каждом цикле засыпку порошка, перемещение пуансонов и другие характеристики прессования.

Современные зарубежные прессы оборудованы системой датчиков, обеспечивающих контроль засыпки, перемещения пуансонов, деформаций для сохранения постоянства продукции. Контроль предусматривает мгновенные изменения условий прессования по ходу процесса. Это обеспечивается компьютеризацией контроля по двум направлениям. Первое направление включает регистрацию данных, характеризующих как сам процесс, так и характеристики продукции. Это позволяет стабилизировать исходную позицию при переналадке инструментальной оснастки. Второе направление представляет собой мониторинг трендов во времени. Оцениваются изменения от партии к партии по параметрам прессования и характеристикам продукции. Управляющий процессор (робот) может быть включен в систему пресса для управления и контроля процесса. У робота имеется контрольная и логистическая системы. По трендам параметров прессования и характеристикам продукции, которые регистрируются контрольной системой, логистическая система принимает решение об изменении параметров прессования, или даже может остановить процесс. Например, если произошли изменения в засыпке порошка, которые привели к избытку порошка и чрезмерным деформациям пуансонов, логистическая система остановит процесс прессования. Обычно при мониторинге анализируются три тренда – изменение массы порошковой порции, давление прессования и размер прессовки.