способ прессования порошковых материалов (варианты) и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ прессования порошковых материалов в объеме, ограниченном активными и пассивными формообразующими поверхностями сплошных или составных элементов закрытой пресс-формы путем их взаимного перемещения вдоль оси прессования с передачей усилия прессования через активные формообразующие поверхности, отличающийся тем, что единую замкнутую, параллельную оси прессования поверхность прессовки формируют принадлежащими двум различным формообразующим элементам частями пассивной формообразующей поверхности, разделенной вдоль оси прессования, а взаимное перемещение осуществляют так, что силы пристенного трения, действующие вдоль различных частей разделенной пассивной формообразующей поверхности, принадлежащих различным формообразующим элементам, имеют противоположные направления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формировании прессовок, имеющих в одной из своих проекций форму окружности или ее сегмента, уплотнение производят путем встречного перемещения сплошных или составных формообразующих элементов по криволинейной оси вдоль дуги окружности или спирали.

3. Способ прессования порошковых материалов в объеме, ограниченном активными и пассивными формообразующими поверхностями сплошных или составных элементов закрытой пресс-формы, путем их взаимного перемещения вдоль оси прессования с передачей усилия прессования через активные формообразующие поверхности и формированием боковых поверхностей прессовки пассивными формообразующими поверхностями, принадлежащими различным формообразующим элементам, с подведением колебаний к элементам пресс-формы, отличающийся тем, что при уплотнении изделий, параллельную оси прессования поверхность которых невозможно разделить на части равной площади, ультразвуковые колебания подводят к элементу пресс-формы, несущему на себе большую часть площади пассивной формообразующей поверхности.

4. Пресс-форма для прессования порошковых материалов в закрытом объеме с активными и пассивными формообразующими поверхностями, содержащая два сплошных или составных формообразующих элемента, выполненных с возможностью их взаимного перемещения вдоль оси прессования, каждый из которых сочетает в себе функции матрицы и пуансона, отличающаяся тем, что на каждом из формообразующих элементов расположены по меньшей мере одна часть разделенной вдоль оси прессования единой пассивной формообразующей поверхности и часть активной формообразующей поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам прессования изделий из порошковых материалов в закрытом объеме, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например в машиностроении.

Известен способ одноосного одностороннего прессования порошковых материалов в закрытых пресс-формах [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И. Д. Радомысельский и др. - Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С. 160], состоящих из матрицы, несущей на себе пассивную, не способную к передаче усилия прессования прессуемому порошку, формообразующую поверхность, и пуансонов, несущих на себе активные, способные передавать усилие прессования прессуемому порошку, формообразующие поверхности. Прессование осуществляют посредством передачи усилия прессования порошку через активную формообразующую поверхность одного из пуансонов. Известный способ обеспечивает изготовление деталей I и II групп сложности с величиной фактора формы, близкой к единице [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский и др. -Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С.182]. Для изготовления этим способом деталей III группы сложности, в целях снижения величины перепада плотности прессовки по высоте изделия в два раза по сравнению с односторонней схемой, реализуют двустороннюю схему одноосного прессования. Для обеспечения тех же условий в изделиях, имеющих различные переходы по высоте (IV-VII группы сложности), применяют составные пуансоны с независимо перемещающимися элементами и специализированные многоходовые прессы с синхронизацией и регулированием рабочего хода их элементов [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И. М. Федорченко, И. Н. Францевич, И. Д. Радомысельский и др. - Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С.183].

Основным недостатком известного способа является то, что распределение средней в перпендикулярном оси прессования сечении плотности порошкового изделия по его высоте, а значит и по его объему, во всех схемах прессования по известному способу носит явно выраженный неравномерный характер с изгибом слоев одинаковой плотности в направлении движения прессующего пуансона [Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А., Трухан Ю.В., Шуляков Ю.М. Феноменологические теории прессования порошков. - Киев: Наукова думка, 1982. - 140с. С.56].

В условиях серийного производства изделий из порошковых материалов I, II, III групп сложности известным способом, когда используются многоместные пресс-формы, трудоемкость их изготовления многократно возрастает, так как количество формообразующих элементов (пуансоны и полости многоместной матрицы) соответствует прессуемому за один раз количеству изделий. При формовании известным способом деталей сложной формы с развитой поверхностью и для устранения разрушающего влияния упругого последействия применяют разъемные матрицы [Клячко Л.И., Уманский А.М., Бобров В.Н. Оборудование и оснастка для формования порошковых материалов. - М.: Металлургия, 1986. - 336с. С.182], что увеличивает количество элементов пресс-формы, усложняет процесс ее изготовления и эксплуатации, но не решает проблемы получения приемлемой равноплотности прессовок по высоте.

В качестве прототипа выбран способ прессования втулок со встречным перемещением матрицы и закладного стержня [Попильский Р.Я., Пивинский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. - М.: Металлургия, 1983. - 176с. С.95]. При этом пассивными формообразующими поверхностями, расположенными на матрице и закладном стержне, формируются наружная и внутренняя боковые поверхности изделия, а активными формообразующими поверхностями, расположенными на пуансонах, формируются торцевые поверхности изделия. Способ заключается в совместном встречном передвижении жестко связанных матрицы с одним прессующим пуансоном и стержня с другим прессующим пуансоном и передаче усилия прессования через активные формообразующие поверхности. Такая схема позволяет получать изделия в форме втулки с более равномерным, чем в других схемах известного способа распределением плотности по высоте изделия. Известно, что при одинаковых условиях трения на обеих пассивных формообразующих поверхностях, ограничивающих внутреннюю и наружную боковые поверхности изделия при его прессовании со встречным перемещением матрицы и закладного стержня, перепад средней в перпендикулярном оси прессования сечении прессовки плотности по ее высоте не может быть равным нулю, поскольку определяется разницей в площадях ее противостоящих боковых поверхностей - наружной и внутренней [Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А., Трухан Ю.В., Шуляков Ю. М. Феноменологические теории прессования порошков. - Киев: Наукова думка, 1982. - 140с. С.64].

Перепад средних в поперечном сечении величин осевого давления P и плотности порошкового тела по его высоте при прессовании втулки со встречным перемещением матрицы и стержня зависит от коэффициентов пристенного трения f бокового давления , высоты изделия h и величины наружного r₁ и внутреннего r₂ радиусов уплотняемой втулки [Штерн М.Б., Сердюк Г.Г., Максименко Л.А., Трухан Ю.В., Шуляков Ю.М. Феноменологические теории прессования порошков. - Киев: Наукова думка, 1982. - 140c. C.63].

где P_б - среднее по высоте изделия боковое давление.

Кроме узко-специфического применения, способ прессования втулок со встречным перемещением матрицы и закладного стержня имеет существенный недостаток. При формовании изделия в виде втулки получение равномерного по высоте изделия распределения плотности невозможно, так как площади его боковых (наружной и внутренней) поверхностей не могут быть равны. В случаях прессования трудноформуемых порошков это является причиной расслаивания длинномерных изделий, приводит к их неравномерной усадке и недопустимым формоизменениям при спекании.

Известен способ прессования порошковых изделий в форме втулки со встречным перемещением матрицы и закладного стержня с возможностью управления распределением плотности вдоль оси прессования, выбором условий смазки противостоящих пассивных формообразующих поверхностей элементов пресс-формы [Попильский Р.Я., Ливийский Ю.Е. Прессование порошковых керамических масс. - М. : Металлургия, 1983. - 176с. С.95]. Наиболее равномерная плотность может быть достигнута путем снижения коэффициента трения, действующего у пассивной формообразующей поверхности матрицы, формирующей наружную боковую поверхность порошкового изделия.

Современные условия повышенного требования к чистоте материалов порошковой технологии, ее удешевлении и упрощении операций подготовки не позволяют применять смазки при изготовлении ответственных деталей. Кроме того, снижение параметров пристенного трения технологическими смазками не позволяет соблюсти условие равноплотности в полной мере. Различие соотношения площадей встречно движущихся частей пассивной формообразующей поверхности в каждом конкретном случае приведет к необходимости подбора состава смазки, уменьшающей коэффициент пристенного трения пропорционально этому соотношению.

Известен способ одноосного прессования в закрытой пресс-форме, в котором плотность порошкового изделия повышают путем подведения к ее формообразующим элементам ультразвуковых колебаний [Агранат Б.А., Гудович А.П., Нежевенко Л. Б. Ультразвук в порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1986. - 168с. С. 132].

Однако указанный способ, способствуя общему повышению плотности порошкового изделия, при любых параметрах колебаний не может обеспечить полностью равномерного распределения плотности по его объему.

Известна пресс-форма для одноосного прессования порошковых изделий в закрытом объеме, состоящая из трех формообразующих элементов: матрицы и двух пуансонов. Пуансоны непосредственно воспринимают усилие прессования сечением, повторяющим форму торцевых поверхностей изделия, которые они формируют своими активными формообразующими поверхностями, а матрица ограничивает боковую, параллельную оси прессования поверхность изделия и воспринимает усилие бокового давления со стороны прессуемого порошка своей пассивной формообразующей поверхностью [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский и др. - Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С.185].

Таким образом, сечение формообразующего элемента пресс-формы, воспринимающего усилие прессования, зависит от гидравлической площади порошкового изделия. Это повышает требования к качеству материала пресс-формы и ее обработки, уменьшает срок ее службы и существенно ограничивает допустимый диапазон давлений прессования, особенно для изделий, имеющих малое сечение в направлении оси прессования.

Наличие на элементах пресс-формы замкнутых пассивных формообразующих поверхностей, прямой доступ к которым затруднен, и к качеству которых предъявляются повышенные требования, усложняет их обработку в процессе изготовления, обслуживание в процессе эксплуатации пресс-форм.

При изготовлении в известной пресс-форме длинномерных изделий из пластичных порошков, склонных к запрессовке воздуха, или из порошков с большим содержанием жидкости или технологической связки, удаление (выход) их из замкнутого объема полости матрицы в процессе прессования затруднено.

Известна пресс-форма для прессования порошковых изделий в форме втулки, которая состоит из формообразующих элементов: матрицы, несущей на себе единую замкнутую пассивную формообразующую поверхность, формирующую наружную боковую поверхность изделия, закладного стержня, несущего на себе единую замкнутую пассивную формообразующую поверхность, формирующую внутреннюю боковую поверхность изделия, двух кольцевых пуансонов, несущих на себе активные формообразующие поверхности, формирующие торцевые поверхности изделия [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И.Д. Радомысельский и др. -Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С.185]. В случае монолитного объединения одного пуансона и закладного стержня в одном формообразующем элементе, а другого пуансона с матрицей - в другом формообразующем элементе, такая пресс-форма обеспечивает некоторое расширение допустимого диапазона давлений прессования.

Такая конструкция пресс-формы имеет недостатки и технологические ограничения, большинство из которых унаследовано от основной схемы способа одноосного одностороннего прессования порошковых материалов в закрытых пресс-формах и присущи всем его схемным реализациям.

Жесткое соединение матрицы и одного из пуансонов значительно затрудняет или делает невозможным извлечение спрессованного изделия. Кроме того, для этого устройства существует конструктивное ограничение для увеличения воспринимающего усилие прессования сечения пуансона за счет его объединения с закладным стержнем. Поэтому фактический выигрыш в расширении диапазона давления прессования не является существенным.

Недостатки известных способов и устройств для их реализации можно исключить, реализовав предлагаемые способы прессования в закрытой пресс-форме, в которой части формообразующих поверхностей, составляющие общую пассивную формообразующую поверхность, в процессе прессования передвигаются относительно прессовки в противоположных направлениях, а разнонаправленные силы пристенного трения, возникающие вдоль этих поверхностей, взаимно компенсируются. Количество формообразующих элементов пресс-формы будет минимально необходимым для несилового извлечения изделия из пресс-формы, когда оно высвобождается одновременно в нескольких направлениях и не испытывает при этом разрушающего действия трения о формообразующие поверхности. Формообразующие элементы пресс-формы не содержат замкнутых труднодоступных формообразующих поверхностей. Величина перпендикулярного направлению прессования минимального сечения самостоятельных формообразующих элементов пресс-формы, испытывающих механическое нагружение, может быть выбрана независимо от их гидравлической площади.

Основными задачами, на решение которых направлены заявленные способы и пресс-форма для их реализации, являются: получение равноплотных изделий из порошковых материалов; облегчение удаления жидкости или технологической связки и запрессованного воздуха из объема прессовок; расширение допустимого диапазона давлений прессования; расширение номенклатуры и качества порошковых изделий всех групп сложности; исключение разрушающего влияния сил пристенного трения о поверхности замкнутой полости формообразующего элемента при извлечении изделия; повышение экономичности и качества при производстве, эксплуатации и обслуживании пресс-форм, снижение требований к прочностным и упругим характеристикам их материала.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является повышение равномерности распределения плотности порошкового изделия по его объему.

В способе прессования порошковых материалов в объеме, ограниченном активными и пассивными формообразующими поверхностями сплошных или составных элементов закрытой пресс-формы, их взаимно перемещают вдоль оси прессования. Усилие прессования передают через активные формообразующие поверхности. Единую замкнутую поверхность порошкового изделия, параллельную оси прессования, формируют принадлежащими различным формообразующим элементам частями пассивной формообразующей поверхности, разделенной вдоль оси прессования. При этом режим взаимного перемещения формообразующих элементов осуществляют таким образом, что силы пристенного трения, действующие вдоль различных частей разделенной пассивной формообразующей поверхности, принадлежащих различным формообразующим элементам, имеют противоположные направления.

Сравнение распределения свойств по объему прессовок, изготовленных заявленным и известным способом, показывает, что изготовление прессовок по заявленному способу позволяет решить поставленные задачи и достичь единого технического результата.

Величина перепада плотности по высоте h прессовки с параллельной оси прессования пассивной формообразующей поверхностью и изготовленной заявленным способом:



где b - коэффициент уравнения прессования (константа, характеризующая уплотняемость прессуемого порошка);

- - коэффициент бокового давления;

S" - часть пассивной формообразующей поверхности, принадлежащая одному формообразующему элементу пресс-формы;

f" - коэффициент трения прессуемого порошка о часть пассивной формообразующей поверхности площадью S", принадлежащей одному формообразующему элементу пресс-формы;

S"" - часть пассивной формообразующей поверхности, принадлежащая другому формообразующему элементу пресс-формы;

f"" - коэффициент трения прессуемого порошка о часть пассивной формообразующей поверхности площадью S"", принадлежащей другому формообразующему элементу пресс-формы;

S₀ - гидравлическая площадь прессовки (проекция активной формообразующей поверхности на плоскость, перпендикулярную оси прессования).

Из выражения (3) видно, что распределение средней в перпендикулярном оси прессования сечении плотности по высоте прессовки, кроме коэффициента бокового давления и геометрических параметров изделия, зависит от соотношения величин сил трения, развитых на разнонаправленных частях, разделенной вдоль оси прессования пассивной формообразующей поверхности, формирующих единую замкнутую параллельную оси прессования, поверхность прессовки. Перепад плотности по высоте прессовки отсутствует при равенстве площадей противоположно движущихся частей единой замкнутой пассивной формообразующей поверхности (S"=S"") и при одинаковых условиях пристенного трения на этих частях (f"= f""). Общее условие получения равноплотной прессовки, изготовленной по заявленному способу:

S"f"=S"f".

Способ формования изделий, имеющих в одной из проекций форму окружности или ее сегмента и его конструктивная реализация, позволяют производить формование бездефектных изделий сложной конфигурации с минимальным перепадом плотности вдоль оси прессования, не являющейся прямой линией.

В этом способе прессования уплотнение порошковых материалов проводят в объеме, ограниченном активными и пассивными формообразующими поверхностями сплошных или составных элементов закрытой пресс-формы, путем их взаимного перемещения вдоль оси прессования. Передача усилия прессования происходит через активные формообразующие поверхности с формированием единой замкнутой, параллельной оси прессования, поверхности порошкового изделия принадлежащими различным формообразующим элементам частями пассивной формообразующей поверхности, разделенной вдоль оси прессования. Уплотнение производят путем взаимного перемещения формообразующих элементов по криволинейной оси вдоль дуги окружности или спирали.

Поскольку в заявленном способе, в отличие от известного способа, передача усилия прессования, кроме активных формообразующих поверхностей, осуществляется с помощью разнонаправленных сил пристенного трения разнонаправленными частями разделенной вдоль оси прессования пассивной формообразующей поверхности на любом вдоль оси прессования расстоянии от активных формообразующих поверхностей, а воспринимающее нагрузку сечение каждого формообразующего элемента может значительно превышать величину гидравлического сечения прессуемого изделия, то возможно осуществление передачи одинакового давления прессования вдоль криволинейной оси прессования ко всем слоям прессовки. Отсутствие в элементах пресс-форм, реализующих заявленный способ, замкнутых поверхностей обеспечивает свободное извлечение из пресс-формы спрессованного изделия любой группы сложности.

Для прессования изделий, в которых невозможно разделить на части равной площади единую поверхность, параллельную оси прессования, технический результат достигается следующим. Порошковые материалы прессуются в объеме, ограниченном активными и пассивными формообразующими поверхностями сплошных или составных элементов закрытой пресс-формы, их взаимным перемещением вдоль оси прессования. Усилие прессования передают через активные формообразующие поверхности. Формирование единой замкнутой, параллельной оси прессования поверхности прессовки происходит принадлежащими различным формообразующим элементам частями пассивной формообразующей поверхности, разделенной вдоль оси прессования. При этом к элементу пресс-формы, несущему на себе большую часть площади пассивной формообразующей поверхности, подводят ультразвуковые колебания.

Для изготовления заявленным способом изделий высокой группы сложности с развитой поверхностью не всегда удается разделить общую пассивную формообразующую поверхность на равные, встречно движущиеся части, а при изготовлении известным способом со встречным перемещением матрицы и закладного стержня изделий в виде втулки площади противостоящих пассивных формообразующих поверхностей, образующих наружную и внутреннюю боковые поверхности изделия, не могут быть равны. В случае равенства коэффициентов пристенного трения, действующих у встречно движущихся частей пассивной формообразующей поверхности различной площади невозможно соблюдение условия равенства произведений коэффициентов трения на площади соответствующих поверхностей. Согласно уравнению (3) распределение средней в перпендикулярном оси прессования сечении плотности порошкового тела по его высоте не будет максимально равномерным.

При невозможности соблюдения условий равенства площадей разнонаправленных частей пассивной формообразующей поверхности, когда соотношение (S"/S"") не равно единице, для максимального достижения основного технического результата необходимо пропорционально изменить величину отношения (f""/f") технологическими приемами или внешним воздействием так, чтобы соответствующие произведения площадей на коэффициенты пристенного трения были равны (4). При формовании изделия со сквозным отверстием, ось которого совпадает с осью прессования, направление движения закладного элемента, формирующего это отверстие, следует выбирать с соблюдением условия минимальной разницы между величинами встречно движущихся частей пассивной формообразующей поверхности.

Достижение единого технического результата возможно как путем уменьшения значения коэффициента пристенного трения, действующего на большей части пассивной формообразующей поверхности, так и путем увеличения значения коэффициента пристенного трения, действующего на меньшей части этой поверхности. Повышать значение коэффициента пристенного трения, увеличивая тем самым потери давления прессования, экономически нецелесообразно. Поэтому выполнение условия равноплотности должно обеспечиваться снижением значения коэффициента пристенного трения, действующего на большей части пассивной формообразующей поверхности.

Исходя из соотношения (3) изменение параметров пристенного трения должно быть селективным. То есть, снизив значение коэффициента пристенного трения, действующего на большей части поверхности, необходимо избегать соответствующего снижения коэффициента пристенного трения у меньшей ее части.

Применение технологической смазки для улучшения равноплотности изделий, прессуемых заявленным способом, может быть селективным, но является экономически неоправданным и трудно контролируемым.

Активное и оперативное управление параметрами пристенного трения в процессе прессования порошковых материалов можно осуществить подведением механических колебаний. В этом случае сила пристенного трения действует у колеблющейся стенки пресс-формы не все время, а только в моменты соприкосновения трущихся поверхностей [Ультразвук: Маленькая энциклопедия / Гл. ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - 400с. С.346]. Селективность действия колебаний на параметры пристенного трения можно обеспечить их подведением к элементу пресс-формы, несущему на себе большую часть пассивной формообразующей поверхности. Поскольку встречно движущиеся элементы пресс-формы в процессе прессования акустически связаны друг с другом только через порошковое тело, то нежелательное снижение коэффициента трения, действующего вдоль меньшей части пассивной формообразующей поверхности, будет меньше. Чем выше частота колебаний, тем больше они будут затухать в порошковом теле. Применение для этих целей колебаний низкой частоты может оказаться мало эффективным. Таким образом, для селективного снижения силы пристенного трения в процессе прессования порошковых материалов целесообразно применение колебаний ультразвукового диапазона частот.

На основе изложенных принципов возможна конструктивная реализация заявленного способа производства равноплотных бездефектных порошковых изделий различной геометрической формы и группы сложности.

Указанный технический результат при технической реализации заявленного способа достигается следующим образом. В известной конструкции пресс-формы для прессования порошковых материалов в закрытом объеме с активными и пассивными формообразующими поверхностями, содержащей сплошные или составные формообразующие элементы, выполненные с возможностью их взаимного перемещения вдоль оси прессования, каждый из которых сочетает в себе функции матрицы и пуансона, на каждом из формообразующих элементов расположены по меньшей мере одна часть разделенной вдоль оси прессования общей пассивной формообразующей поверхности и часть активной формообразующей поверхности.

Наличие на каждом из формообразующих элементов заявленной пресс-формы активной и части пассивной формообразующей поверхности обеспечивает условие создания разнонаправленных сил пристенного трения и возникновения неизменного по величине давления прессования, передающегося всем слоям порошкового изделия и обеспечивающего одинаковую степень их уплотнения.

Возможность изготовления формообразующих элементов заявленной пресс-формы с величиной воспринимающего усилие прессования сечения, значительно превышающей величину гидравлического сечения прессуемого изделия, позволяет значительно повысить давление прессования за пределы максимально допустимого значения механического напряжения для материала элементов пресс-формы. Этим обстоятельством в заявленной конструкции пресс-формы обеспечивается выполнение двух целей группы изобретений - расширение диапазона давления прессования и снижение требований к качеству материала пресс-форм для прессования порошковых материалов.

Реализация интенсивной сдвиговой пластической деформации при прессовании порошковых материалов заявленным способом в сочетании с возможностью приложения давления прессования, значительно превышающего значение предельно допустимого напряжения сжатия материала пресс-формы, дают возможность воздействовать на прессуемое изделие заданной формы подобно известным способам производства нанокристаллических материалов кручением под высоким давлением или равноканальным угловым прессованием [Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. - Екатеринбург: УрО РАН, 1998, -199с. С. 57] , которые не позволяют изготавливать прессовки сложной формы. Степень сдвиговой пластической деформации возрастает с увеличением количества чередующихся встречно движущихся составных частей формообразующих элементов заявленной пресс-формы.

Каждая из частей пассивной формообразующей поверхности, принадлежащих одному элементу пресс-формы, участвует в перераспределении порошка из областей его скопления, в местах подвижного сопряжения с активной формообразующей поверхностью другого элемента в области пониженной плотности, в местах неподвижного сопряжения пассивной и активной формообразующих поверхностей, принадлежащих одному элементу. Увеличение количества чередующихся противоположно направленных частей пассивной формообразующей поверхности, принадлежащих различным формообразующим элементам пресс-формы, обеспечивает достижение двух других поставленных целей группы изобретений - повышение равномерности распределения плотности по всему объему прессовки и облегчение удаления воздуха и/или жидкости из порошкового материала при его прессовании через множество равномерно распределенных по боковой поверхности прессовки вертикальных зазоров сопряжения встречно движущихся формообразующих элементов.

Наличие в конструкциях, реализующих заявленный способ, только двух встречно движущихся формообразующих элементов, не содержащих замкнутых труднодоступных внутренних формообразующих поверхностей, к качеству которых предъявляют повышенные требования, обеспечивает выполнение трех других поставленных целей группы изобретений - минимизацию количества формообразующих элементов пресс-формы, исключение операции выпрессовки готового изделия из полости одного элемента пресс-формы с разрушающим воздействием сил трения о его единую замкнутую формообразующую поверхность и повышение качества и экономичности в производстве одно- и многоместных пресс-форм для прессования порошковых материалов и их обслуживания в процессе эксплуатации.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных способов прессования порошковых материалов в закрытых пресс-формах и их технических реализации, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений преобразований на достижение указанного единого технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку заявляемые способы и устройство для их реализации предназначены для прессования порошковых материалов. Заявленные изобретения решают одну и ту же задачу - повышение качества и расширение номенклатуры порошковых изделий за счет достижения одного и того же технического результата - повышения равномерности распределения плотности порошкового изделия по его объему разнонаправленными силами пристенного трения в процессе его прессования.

На Фиг.1 изображена пресс-форма с двумя встречно движущимися частями пассивной формообразующей поверхности для прессования изделия цилиндрической формы.

На Фиг. 2 изображена пресс-форма с десятью чередующимися, встречно движущимися частями пассивной формообразующей поверхности для прессования изделия цилиндрической формы.

На Фиг.3 изображена пресс-форма для одноосного прессования изделия в виде прямоугольного бруска.

На Фиг.4 изображена пресс-форма для двухосного прессования изделия в виде прямоугольного бруска.

На Фиг.5 изображена пресс-форма для прессования изделия в виде шестерни цилиндрической зубчатой передачи.

На Фиг.6 изображена пресс-форма для прессования изделия в виде шестерни конической зубчатой передачи.

На Фиг.7 изображена многоместная пресс-форма для серийного производства однотипных изделий из порошковых материалов в виде прямоугольных брусков.

На Фиг.8 изображена пресс-форма для прессования изделия в виде сегмента кольца прямоугольного сечения вдоль криволинейной оси.

На Фиг.9 изображена пресс-форма для многоместного прессования изделий в виде сегмента кольца прямоугольного сечения вдоль криволинейной оси.

На Фиг.10 изображена пресс-форма для прессования изделия в форме сегмента сферы.

На Фиг. 11 изображена пресс-форма для прессования изделия в форме спирали.

Для наглядного представления конструкций обозначения на всех чертежах одинаковые.

1 - первый формообразующий элемент пресс-формы;

2 - второй формообразующий элемент пресс-формы;

3 - составные части первого элемента пресс-формы;

4 - составные части второго элемента пресс-формы;

5 - часть пассивной формообразующей поверхности первого элемента пресс-формы;

6 - часть пассивной формообразующей поверхности второго элемента пресс-формы;

7 - часть активной формообразующей поверхности первого элемента пресс-формы;

8 - часть активной формообразующей поверхности второго элемента пресс-формы;

9 - центральный закладной элемент;

10 - конструктивный элемент, удерживающий элементы 1 и 2 от неосевых перемещений;

11 - технологическая проточка на элементе пресс-формы для облегчения загрузки порошка;

12 - закладные формообразующие элементы пресс-формы, осуществляющие дополнительное уплотнение в другом направлении;

13 - толкатели дополнительных элементов 12;

14 - изделие, получаемое в пресс-форме.

Жирной стрелкой на чертежах обозначено направление оси прессования.

Штриховкой обозначены плоскости разрезов элементов пресс-формы, изображенных для наглядности действия устройств реализации заявленного способа. С этой же целью некоторые составные части формообразующих элементов не изображены, изображены со смещением вдоль оси прессования в положении, предназначенном для загрузки порошка, или обозначены тонкими линиями, как выполненные из прозрачного материала.

Пресс-формы, реализующие предлагаемый способ (Фиг.1 - Фиг.11) состоят из двух встречно движущихся в процессе прессования сплошных или составных формообразующих элементов (1, 2), поверхность каждого из которых согласно изобретению содержит часть пассивной (5, 6) и часть активной (7, 8) формообразующей поверхности. Таким образом, в соответствии с заявленными признаками способа прессования порошковых материалов, единую замкнутую, параллельную оси прессования поверхность прессовки, формируют принадлежащими различным формообразующим элементам частями 5 и 6 пассивной формообразующей поверхности, разделенной вдоль оси прессования. Уплотнение порошка осуществляется путем взаимного встречного перемещения формообразующих элементов 1 и 2 при их скольжении друг по другу вдоль оси прессования. Режим взаимного перемещения формообразующих элементов осуществляют таким образом, что силы пристенного трения, действующие вдоль различных частей 5 и 6 разделенной вдоль оси прессования пассивной формообразующей поверхности, принадлежащих различным формообразующим элементам, имеют противоположные направления. Возникновение вдоль линий сопряжения частей разделенной вдоль оси прессования единой пассивной формообразующей поверхности разнонаправленных, но одинаковых по суммарной величине сил пристенного трения, в процессе прессования приводит к выравниванию плотности по всему объему прессовки. Таким образом, в заявленном способе реализуется автовыравнивание распределения плотности порошкового тела по его объему разнонаправленными силами пристенного трения на протяжении всего процесса уплотнения порошкового материала.

Для облегчения загрузки порошка, удаления запрессованного воздуха или жидкости через зазоры сопряжения, а также для облегчения изготовления, сборки и обслуживания пресс-формы формообразующие элементы 1 и 2, в свою очередь, можно разделить без потери единого технического результата группы изобретений и функциональных свойств пресс-формы на конструктивно самостоятельные части 3 и 4 двух типов: плунжеры, несущие на себе часть общей активной формообразующей поверхности, и ползуны, несущие на себе части общей пассивной формообразующей поверхности.

В процессе прессования формообразующие элементы 1 и 2 пресс-форм удерживаются от неосевых взаимных перемещений дополнительным конструктивным элементом 10 или иным технологическим приемом. С этой целью допустимо использование внешней ограничивающей обоймы (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4, Фиг.5, Фиг. 6, Фиг.7), шлицевого или байонетного зацепления элементов друг с другом (Фиг.7, Фиг.11), шарнира общей оси взаимного вращения (Фиг.8, Фиг.9, Фиг.10, Фиг.11) или всестороннего давления среды на помещенную в оболочку пару формообразующих элементов в гидро/газостате. Функцию удержания от неосевых перемещений может выполнять один из формообразующих элементов (Фиг.8, Фиг.10, Фиг. 11). На формообразующих элементах могут располагаться технологические проточки 11 для загрузки порошка перед прессованием.

Для увеличения равноплотности прессовок по всему объему (Фиг.2, Фиг.5, Фиг. 6), для повышения степени сдвиговой пластической деформации порошкового материала, а также для решения конкретной технологической задачи (например, для формования выступов, Фиг. 5, Фиг.6) количество чередующихся встречно движущихся ползунов, являющихся составными частями 3 и 4 первого и второго элементов пресс-формы, может быть увеличено.

Реализация заявленных способов возможна в схеме двухосного прессования (Фиг. 4) дополнительными закладными 12 (изображен только один из двух закладных элементов), расположенных в основных формообразующих элементах 1 и 2, причем как по раздельной схеме (сначала ведется прессование в направлении одной оси посредством встречного движения формообразующих элементов (1) и (2), а затем по другой оси посредством передачи усилия закладным элементам 12 поперечными толкателями 13), так и с одновременным уплотнением в двух непараллельных направлениях.

Схему удержания элементов внешним усилием прижима можно реализовать, поместив загруженную порошком и защищенную тонкой деформируемой оболочкой пару формообразующих элементов в гидро/газостат. Уплотнение прессовки происходит за счет плавного или импульсного повышения давления в среде гидро/газостата, так как уменьшение общего объема формообразующих элементов с порошковым телом, заключенных в оболочку, возможно только при их встречном осевом перемещении. При снятии давления за счет сил упругого последействия произойдет одновременное всестороннее освобождение изделия. Для сбора вытесняемого при уплотнении порошка воздуха формообразующие элементы, кроме формообразующей полости, могут составлять дополнительные полости неизменного объема. Для активного сбора вытесняемого воздуха дополнительная полость может увеличиваться в объеме в процессе уплотнения порошка.

В пресс-форме для производства изделий типа цилиндрической шестерни, фрезы или крыльчатки (Фиг. 5) размещаются десять чередующихся, встречно движущихся ползунов 3 и 4, на которых расположены части пассивной формообразующей поверхности 5 и 6.

В пресс-форме, реализующей заявленный способ для прессования изделия конической формы типа шестерни конической зубчатой передачи, конической фрезы или крыльчатки турбины (Фиг.6), количество составных частей 3 и 4 каждого формообразующего элемента соответствует количеству выступов на изделии 14. Высота любого выступа зависит от взаимного положения формообразующих элементов 1 и 2 и их частей 3 и 4 по окончании процесса уплотнения. По этой же схеме можно изготовить пресс-форму для прессования аналогичных изделий с косыми зубьями или лопастями.

При технической реализации заявленного способа имеется возможность прессования равноплотных бездефектных изделий в направлении их наибольшего размера с приложением давления к их наименьшему гидравлическому сечению. Эта схема, наряду с достижением единого технического результата заявленной группы изобретений, позволяет за счет увеличения длины хода прессующих элементов уменьшить величину необходимого усилия пресса, увеличить давление прессования до значений, превышающих значение предельно-допустимого напряжения для материала пресс-формы (Фиг.1, Фиг.3, Фиг.7, Фиг.8, Фиг.9), а в случае реализации многоместного прессования экономить общую площадь и габаритные размеры пресс инструмента (Фиг.7, Фиг.9).

При технической реализации заявленного способа прессования вдоль криволинейной оси в конструкциях пресс-форм для одноместного (Фиг.8) или многоместного (Фиг.9) формования изделия в виде сегмента кольца прямоугольного сечения уплотнение порошка происходит между двумя шарнирно связанными платформами (формообразующий элемент 1 и формообразующий элемент 2) путем их взаимного перемещения вдоль дуги окружности на общей оси шарнира 10.

В конструкции пресс-формы для формования изделий в виде сегмента полого тела вращения (Фиг.10) прессование по заявленному способу осуществляют вдоль дуги окружности поворотом формообразующего элемента 2 в составном формообразующем элементе 1, который одновременно выполняет функцию удержания элемента 2 от неосевых перемещений.

Прессование порошковых изделий вдоль спиральной линии с постоянным шагом (Фиг. 11) осуществляют путем вращения одного составного формообразующего элемента (обозначены его составные части 4) внутри другого элемента (изображены две из трех его составных частей 3). В процессе прессования формообразующие элементы удерживают друг друга от неосевых перемещений. Составные части 3 и 4 формообразующих элементов скользят по пассивным формообразующим поверхностям 5 и 6, исключая возможность неосевых взаимных перемещений элементов пресс-формы.

В заявленном способе прессования с подведением ультразвуковых колебаний к формообразующему элементу пресс-формы, несущему на себе большую часть пассивной формообразующей поверхности, управление процессом выравнивания параметров пристенного трения может осуществляться как регулированием амплитуды колебаний, так и изменением их частоты. Однако современное ультразвуковое оборудование, обеспечивая регулировку амплитуды колебаний в широком диапазоне, как правило, выпускается на определенный, достаточно узкий диапазон частот. Кроме того, ультразвуковая прессовая оснастка обычно работает на резонансной частоте, изменение которой приводит к резкому снижению амплитуды колебаний. Таким образом, при использовании ультразвуковых колебаний в заявляемом способе необходимо выбрать ультразвуковое оборудование требуемого диапазона частот и достаточной для поддержания колебаний в оснастке определенных габаритов и массы мощности, а управление распределением плотности осуществлять регулировкой амплитуды колебаний.

Известно, что величина коэффициента пристенного трения непостоянна по высоте прессовки. В заявленном способе прессования его величина максимальна в местах подвижного соединения пассивной и активной формообразующей поверхности и минимальна в местах их неподвижного соединения. Исходя из этого, целесообразность применения того или иного способа подведения ультразвуковых колебаний определяется габаритами прессуемого изделия.

В производстве длинномерных изделий изменение коэффициента пристенного трения по высоте прессовки приводит к необходимости использования ультразвуковых колебаний, направленных параллельно пассивной формообразующей поверхности. Как правило, это направление совпадает с направлением оси прессования. В этом случае распределение колебательной амплитуды формообразующего элемента вдоль оси прессования будет убывающим по мере убывания значения коэффициента пристенного трения. Характер изменения амплитуды колебаний вдоль пассивной формообразующей поверхности можно подобрать, приводя в соответствие длину волны резонансной длине формообразующего элемента-волновода путем изменения частоты колебаний.

Для равноосных и малогабаритных изделий, изменением коэффициента пристенного трения вдоль оси прессования которых можно пренебречь, целесообразно применение ультразвуковых колебаний, направленных перпендикулярно пассивной формообразующей поверхности. В этом случае ультразвуковая оснастка не мешает проведению уплотнения материала, так как располагается вдоль оси, перпендикулярной оси прессования.

Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать основные принципы заявленного способа прессования, отличающие его от известных способов, и рекомендации к его промышленному применению.

Предложенный способ предназначен для прессования бездефектных равноплотных изделий из порошковых материалов путем уплотнения порошка в закрытой пресс-форме при приложении внешнего усилия взаимным встречным перемещением двух ее сплошных или составных элементов, в каждом из которых часть одной пассивной поверхности объединяется с частью одной активной поверхности пресс-формы так, чтобы в процессе формования они составляли общую замкнутую формообразующую поверхность.

В случае, когда произведения площадей встречно движущихся частей общей пассивной формообразующей поверхности на соответствующие коэффициенты пристенного трения равны, распределение средней в сечении, перпендикулярном оси прессования, плотности порошкового тела будет равномерным вдоль этой оси.

При формовании изделий со сквозным отверстием, ось которого совпадает с осью прессования (Фиг.5, Фиг.6), направление движения закладного элемента, формирующего это отверстие, следует выбирать с соблюдением условия минимальной разницы между величинами площадей встречно движущихся частей пассивной формообразующей поверхности.

Заявленный способ прессования позволяет получать равноплотные заготовки для изделий типа цилиндрических (Фиг.5) и конических (Фиг.6) зубчатых колес, фрез, крыльчаток турбин и гидронасосов, изделий тороидальной (Фиг.8), сферической (Фиг.10) и спиралевидной (Фиг.11) формы.

Реализация способа возможна и в случаях, когда пассивная формообразующая поверхность частично выполняет функцию активной формообразующей поверхности. Это происходит при прессовании изделий с плавно изменяющимся по высоте сечением, например, изделия конической, сферической, пирамидальной формы, когда пассивная формообразующая поверхность расположена под некоторым, отличным от нуля, углом к оси прессования (Фиг.6).

По существующей классификации [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И. Д. Радомысельский и др. - Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С. 182 ] заявленный способ прессования можно отнести к способам прессования любых порошковых материалов в закрытых жестких пресс-формах.

Прессование по заявленному способу нельзя классифицировать ни как одностороннее, ни как двухстороннее, поскольку точки нулевого перемещения порошка относительно различных частей пассивной формообразующей поверхности находятся на различных высотах, а вдоль вертикальной линии их подвижного сопряжения не определены.

Прессование по заявленному способу может быть осуществлено по одноосной и многоосной (Фиг.4) схеме. По типу приложения нагрузки уплотнение материала может быть статическим и динамическим.

По практическому применению заявленный способ не привязан к конкретному типу прессового оборудования. Та или иная реализация способа возможна с использованием любых типов прессов: универсальных и специализированных гидравлических (Фиг. 1 - Фиг.7), механических (Фиг.8 - Фиг.11), одно- и многоходовых прессов (Фиг.4), гидро/газостатов.

В условиях промышленного применения, в случае многоместного прессования по заявленному способу поверхность прессующего элемента пресс-формы может содержать части нескольких формообразующих поверхностей различных деталей (Фиг. 7, Фиг.9). Эта схема упрощает изготовление и эксплуатацию многоместных пресс-форм, поскольку позволяет использовать одну простую в изготовлении деталь для уплотнения сразу нескольких изделий путем совмещения однотипных формообразующих элементов разных пресс-форм в единый формообразующий элемент, несущий на себе формообразующие поверхности для формования множества однотипных изделий простой формы.

Элементы пресс-форм, реализующих заявленный способ, могут быть сплошными или составными. Контроль окончания процесса прессования может осуществляться "по давлению" и "до упора". В различных реализациях заявленного способа дозирование порошка может осуществляться по массе и по объему.

Кроме изделий простой геометрической формы, заявленный способ позволяет изготавливать детали любой группы сложности и проводить уплотнение материала вдоль криволинейной оси (дуга окружности, винтовая линия с постоянным шагом).

Таким образом, по всем существующим признакам классификации способов прессования в закрытых пресс-формах [Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справ. / Сост. И.М. Федорченко, И.Н. Францевич, И. Д. Радомысельский и др. - Киев: Наук. думка, 1985. - 624с. С. 160 ] заявленный способ либо удовлетворяет всем условиям одного признака одновременно, либо ни одному из них, что позволяет выделить его в обособленный способ прессования в закрытых пресс-формах. Уплотнение порошковых материалов заявленным способом легко сочетается с другими известными способами прессования в закрытых жестких пресс-формах, в которых пристенное трение является определяющим фактором распределения плотности порошкового тела по его объему. Возможны, а в некоторых случаях желательны, комбинации заявленного способа со способом "плавающих" закладных элементов, со способами импульсного формования в жестких матрицах, со способом горячего прессования в закрытых штампах, а также уплотнение материалов в гидро/газостате между двумя формообразующими элементами, помещенными в тонкостенную оболочку.

При конструктивной реализации заявленного способа для прессования изделий сложной формы или с развитой поверхностью не всегда удается конструктивно разделить общую пассивную формообразующую поверхность пресс-формы на встречно движущиеся части равной площади (Фиг.5, Фиг.8 - Фиг.11). В подобных случаях для получения равноплотной прессовки в соответствии с уравнением (3) можно уменьшить величину действующего на большей поверхности коэффициента пристенного трения пропорционально отношению этих площадей, выполнив условие (4). Уменьшить коэффициент пристенного трения можно с помощью технологической смазки, нанесенной на соответствующую поверхность или подведя ультразвуковые механические колебания к одному из формообразующих элементов пресс-формы. Ультразвуковые колебания необходимо подводить с учетом следующих особенностей.

В процессе уплотнения требуется снизить коэффициент трения, действующий у поверхности большей площади. Поэтому подводить колебания необходимо к формообразующему элементу, несущему на себе большую часть пассивной формообразующей поверхности. Поскольку формообразующие элементы в процессе прессования акустически связаны друг с другом только через порошковое тело, не линейно поглощающее механические колебания высокой частоты, то, изменяя уровень ультразвукового воздействия, можно добиться требуемого соотношения величин коэффициентов пристенного трения у различных частей пассивной формообразующей поверхности разной площади.

Целесообразность применения того или иного способа подведения ультразвуковых колебаний определяется габаритами прессуемого изделия. В производстве длинномерных изделий необходимо реализовать такую схему подведения ультразвуковых колебаний, при которой распределение колебательной амплитуды формообразующего элемента вдоль оси прессования будет убывающим по мере убывания значения коэффициента пристенного трения. Требуемое продольное распределение колебательной амплитуды можно получить, приводя в соответствие длину волны резонансной длине формообразующего элемента-волновода путем изменения частоты колебаний. При производстве малогабаритных изделий более удобной является схема подведения колебаний, перпендикулярно боковой поверхности изделия.

Заявленным способом прессования в заявленной пресс-форме без применения смазок, пластификаторов и ультразвуковых колебаний были изготовлены детали седьмой группы сложности (крыльчатка бензонасоса, Фиг.5) из необработанного плазмохимического ультрадисперсного порошка технической керамики состава ZrO₂-3%мол. Y₂O₃. При этом ни одного дефектного изделия получено не было. Расчетный перепад плотности по высоте прессовки такой конфигурации, изготовленной известным способом одностороннего статического прессования, составил величину около 4%. Для прессовок, изготовленных заявленным способом, измеренный перепад плотности составил величину около 0,5%, с чем хорошо согласуется рассчитанная по выражению (3) величина перепада 0,7-0,3%, в зависимости от реализации плавающей или встречной схемы движения закладного элемента. Ненулевой перепад плотности определяется тем, что условие равенства разнонаправленных частей пассивной формообразующей поверхности для прессовок такой формы соблюсти в полной мере невозможно.

Таким образом, приведенные сведения показывают, что при осуществлении заявленной группы изобретений выполняются следующие условия:

- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно: в производстве изделий из порошковых материалов;

- для заявленных изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретения, подтверждена возможность их осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств и методов;

- средства, воплощающие изобретения при их осуществлении, способны обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленные изобретения соответствуют условию патентоспособности "промышленная применимость".