Расчет и изготовление пресс-форм

Прессование порошков представляет собой относительно несложный процесс, в который входят следующие операции: 1) подготовка пресс-формы (ее сборка, смазка); 2) заполнение полости пресс-формы порошком; 3) собственно процесс прессования приложением давления; 4) извлечение спрессованного изделия из пресс-формы (выталкивание или разборка).

На рис. 69 был показан схематический чертеж простейшей пресс-формы. Толстостенная матрица 1 с внутренней полостью, форма и размеры которой определяют форму боковых поверхностей и размеры будущего изделия. Нижняя подкладка 3 формирует нижнюю поверхность брикета. Через пуансон 2 к порошку прикладывается давление пресса. Глубина погружения пуансона в полость пресс-формы определяет высоту прессуемого изделия.

При определении размеров пресс-форм должны учитываться следующие факторы.

1. Упругое последействие в брикетах после их выталкивания из пресс-формы, приводящее к увеличению размеров. В зависимости от условий прессования и свойств порошка высота брикета может увеличиваться на несколько процентов. Для каждой конкретной шихты величина упругого последействия определяется опытным путем.

2. Изменение размеров брикета в результате усадки при спекании. Как правило, при спекании наблюдается уменьшение размеров, величина которого может меняться в очень широких пределах — от долей процента до десятков процентов. Изменение размеров при усадке зависит от плотности спекаемого брикета, температуры спекания, размера частиц порошка, величины его удельной поверхности и других факторов. Поэтому при расчете размеров пресс-формы необходимо заранее экспериментальным путем определить величину усадки для употребляемого сорта порошка заданной плотности изделия и условий спекания.

3. Допуски на размеры изделия и припуски на калибровку, последние обычно принимаются от 0,25—0,50 мм.

4. Конусность полости брикета порядка от 0,5 до 1° для облегчения выталкивания спрессованного брикета из полости пресс-формы.

Для изделия с номинальным наружным диаметром Dн необходимый размер полости матрицы D можно определить из выражения

где А — допуск на размер Dн; lд — величина упругих последействий по диаметру; nд — величина усадки по диаметру; k — припуск под калибровку (все размеры в мм).

Если в процессе спекания размеры не уменьшаются, а увеличиваются, что для некоторых металлов и условий изготовления имеет место, то член nд входит в выражение со знаком минус.

В процессе работы полость матрицы постепенно изнашивается. Допустимое увеличение диаметра определяется допуском по внешнему диаметру готового изделия. Таким же образом устанавливается и допуск на износ внутреннего стержня в случае прессования полых изделий.

Расчет высоты брикета производится совершенно аналогично. По рассчитанной высоте брикета можно вычислить необходимую длину пуансонов и ограничительных подкладок, регулирующих глубину погружения пуансона в матрицу. Объем полости матрицы должен вмесить все количество порошка, расходуемого на деталь, поэтому высота полости обычно в 2,5—4 раза больше высоты спрессованного брикета. Это превышение зависит от насыпного веса порошка.

Придание спеченным изделиям из пластичных материалов точных размеров обычно осуществляется путем калибровки их по высоте и диаметру. Эта операция осуществляется в специальных калибровочных пресс-формах.

Зазоры между сопрягающимися деталями пресс-формы должны обеспечивать выход воздуха из пор прессуемого изделия. Однако в такие зазоры не должен просыпаться порошок, так как это увеличивает износ пресс-форм и уменьшает точность изготовления изделий. Обычно для пуансона и матрицы принимают ходовые посадки второго или третьего класса точности.

При расчете толщины стенок пресс-формы обычно пользуются формулами Ляме для полых цилиндров. Максимальное радиальное напряжение, возникающее на внутренней поверхности матрицы, определяется из выражения

где r1 и r2 — внутренний и внешний радиусы матрицы; Pг — боковое давление.

Толщина стенки матрицы может быть определена по формуле, используемой для расчета гидравлических цилиндров:

где b — толщина стенки; оt — допустимое напряжение материала матрицы, которое берется с 3—4-кратным запасом прочности. Ранее мы уже отмечали, что вопрос о боковом давлении пока остается недостаточно выясненным. При расчетах по формулам (III.11) и (III.12) можно принимать Pг = 0,3-0,4 Р.

Расчеты пуансонов, подкладок и других деталей пресс-форм обычно не вызывают затруднений.

Однако конструирование матрицы, исходя только из оценки возникающих напряжений по формулам (III.11) и (III. 12), не всегда дает удовлетворительные результаты. Как подчеркивают Г.И. Аксенов и А.П. Николаев, нужно учитывать упругую деформацию матрицы. При использовании матриц с небольшим отношением (до 2), когда выполнялись условия расчета на r2/r1 прочность, не удавалось проводить прессование брикетов без трещин. Последние появлялись в результате значительной деформации внутреннего диаметра матрицы при прессовании. При выпрессовке спрессованных в таких условиях брикетов образовались поперечные трещины. Таким образом, толщину стенки матрицы необходимо выбирать не только из условий расчета на прочность, но и с учетом получения высококачественных (без трещин) изделий. Для круглых сечений, по данным, отношение r2/r1 можно выбирать от 2 до 4, при этом выполняются оба условия.

Отметим, что необходимы дальнейшие разработки строгих методов расчета деталей пресс-форм различных конструкций.

Поверхности деталей пресс-форм в процессе работы подвергаются абразивному износу в результате трения порошка. Для их изготовления должны применяться стойкие против износа стали, легированные хромом и другими элементами. Хорошо зарекомендовали себя в работе стали, содержащие до 12% хрома и 1,2—1,8% углерода (марки X12, Х12М), а также другие инструментальные хромистые стали — Х2, ШХ15.

Часто применяется для изготовления пресс-форм также сталь ХВГ, легированная вольфрамом и хромом, однако она более дефицитна. В ряде случаев сложно-легированные стали с успехом можно заменять средне-легированными с химико-термической обработкой рабочих поверхностей — хромированием и азотированием. Рекомендуется также применять вставки из твердых сплавов.

Для изготовления пресс-форм, не рассчитанных на высокую стойкость в работе, применяются углеродистые инструментальные стали марок У8А, У10А. Для изготовления неответственных Деталей пресс-форм (обойм, подставок и пр.) применяются обычные поделочные стали.

Термическая обработка деталей пресс-форм состоит в закалке в масло или в воду, в зависимости от сорта стали, с последующим низкотемпературным отпуском. Твердость матриц Должна быть не ниже 60—65 ед. Rc. Твердость пуансонов может быть несколько ниже — до 55—60 ед. Rc. Внутренняя стенка матрицы и поверхности пуансонов тщательно шлифуются, а иногда полируются. Стойкость пресс-форм в работе зависит от материала пресс-форм, характера прессуемого порошка, давления прессования, применения смазки и других факторов. Количество спрессованных деталей за срок службы может быть в пределах от 1—2 до 25—50 тыс. штук. При использовании твердосплавных матриц и пуансонов стойкость пресс-формы может доходить до 500 тыс. штук.

После некоторого износа иногда практикуют шлифовку поверхности матриц и нитрование в токе аммиака; последнее приводит к уменьшению диаметра полости и восстановлению размеров до пределов, пригодных для работы.