Конструкторская часть

1.1. Антифрикционные материалы

Порошковые антифрикционные материалы [4] предназначены для производства изделий с низкими потерями на трение; их определяющий признак - сравнительно низкий коэффициент трения (обычно ≤ 0,3, в том числе при наличии смазки < 0,1). Они работают в основном при граничной смазке, скоростях скольжения v ≤ 6м/с и давлениях p ≤ 25 МПа, т.е. при pv не более 150 - 200 МПа∙м/с. Прирабатываемость, определяемая временем, необходимым для снижения коэффициента трения между подшипником и валом до его заданной величины, у порошковых антифрикционных материалов обычно хорошая. Их струк­тура должна быть гетерогенной, мелкозернистой и отвечать правилу Шарли, т.е. представлять собой сочетание твердых и более мягких компонентов, причем одним из них, самым мягким, в таких антифрикци­онных материалах являются поры - составляющая с нулевой твер­достью; к тому же поры могут быть заполнены смазкой.

Именно метод порошковой металлургии наиболее эффективен для изготовления антифрикционных изделий различного химического состава с хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, низким и стабильным коэффициентом трения, хорошей сопротивляе­мостью схватыванию и другими полезными качествами. Наличие пор позволяет придавать антифрикционные свойства материалам, которые в литом состоянии ими не обладают (например, порошковое пористое железо или материалы на его основе успешно работают в различных узлах трения). Поры изменяют сам механизм прирабатываемости трущихся поверхностей. У порошковых материалов вследствие измене­ния и перераспределения объема пор происходит необратимая пласти­ческая деформация в поверхностном и прилегающем к нему значитель­ном по глубине (до нескольких миллиметров) приповерхностном слое, тогда как у литых материалов хорошая прирабатываемость обеспечива­ется только в поверхностном слое толщиной всего в несколько микро­метров вследствие уменьшения шероховатости, в том числе и путем его износа [4].

Хорошая прирабатываемость порошкового пористого материала повышает качество поверхности, улучшая антифрикционные и эксплуа­тационные свойства изделий из него.

Говоря о порошковых антифрикционных [4] материалах и изделиях, обычно имеют в виду пористые подшипники, многослойные, металлопластмассовые и металлостеклянные антифрикционные материалы. Они находят широкое применение в тракторо- и сельхозмашинострое­нии, автомобильной промышленности, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, в текстильной и пищевой промышленностях, в авиационной и бытовой технике, приборостроении и др.

При обозначении марок порошковых антифрикционных материалов применяют буквы и цифры: Ж - железо, Гр - графит, Д - медь, Бр -бронза, О - олово, Н - никель, X - хром, М - молибден, К - сера и сульфидирование, Цс - сернистый цинк, Б - бор и борирование, Ц -цементирование, С - свинец, МГ - металлографит, Мс - дисульфид молибдена, Ф - фосфор, ФТ - фторопласт; цифры после букв указывают на содержание соответствующего элемента (например, ЖГр2 - 2% графита, остальное железо до 100 %).

Антифрикционные материалы [5] широко применяются для изготовления подшип­ников скольжения, воспринимающих нагрузки, возникающие при работе механизмов и машин, и обеспечивающих движение сопря­женных деталей конструкции с одновременной фиксацией их в осевом и радиальном направлениях. Неизбежно возникающие при этом потери энергии на трение должны быть минимальными.

К порошковым антифрикционным материалам предъявляются следующие требования: низкий коэффициент трения, высокая из­носостойкость, большая несущая способность, хорошая прирабатываемость, достаточная статическая и динамическая прочность, большая теплопроводность и незначительное тепловое расши­рение [5].

Чтобы по возможности уменьшить трение контактирующих тел при

скольжении, необходимо разделить поверхности сколь­жения пленкой жидкой или газообразной смазки. Смазка исклю­чает прямой контакт и значительно уменьшает износ контакти­рующей пары, снижая потери энергии на трение. Однако это имеет место не всегда и не везде. Очень часто контактирующие пары работают в условиях смешанного трения, когда жидкост­ному трению сопутствует сухое трение контактирующих тел (на­пример, в подшипниках с гидродинамической смазкой при раз­гоне и остановке, когда давление, возникающее в зазоре между валом и подшипником, недостаточно для создания сплошной смазочной пленки).

В ряде случаев подача смазки в подшипники после их уста­новки в машине затруднена или вообще невозможна. В этих условиях необходимо либо заранее снабдить подшипники доста­точно большим запасом смазки, либо сделать так, чтобы смазка содержалась в самом материале подшипников. Такие материалы называют длительно смазывающимися. Если сам материал под­шипников обладает смазочными свойствами (высокополимеры и графит), то речь идет о самосмазывающихся подшипниках.

Подшипники скольжения, работающие без смазки, могут из­готавливаться из антифрикционных материалов методом порош­ковой металлургии. Поры таких материалов пропитываются жид­кими или газообразными смазками; смазочный материал может входить в состав композита в виде твердой составляющей. Доля выпуска подшипниковых материалов в объеме производства всей отрасли порошковой металлургии составляет в отдельных инду­стриально развитых странах 15—35 % [5].

1.2. Требования, предъявляемые к материалам пресс-форм

После определения схемы применения пресс-формы необходимо выбрать материал основных деталей пресс-формы, так как только после этого можно провести расчеты на жесткость и прочность, сконструировать пресс-форму и разработать технологию её изго­товления [6].

Помимо характеристик жёсткости и прочности, определяющих размеры пресс-формы и её конструкцию, при выборе материала пресс-форм для холодного прессования порошков необходимо учитывать его износостойкость в условиях абразивного износа прессуемым порошком, предел выносливости в условиях растяжения–сжатия или несимметричного сжатия, дефицитность и обрабатываемость. Наиболее полной характеристикой материала пресс-формы являются затраты на её изготовление, отнесенные к тому количеству прессовок, которое можно снять с пресс-формы до достижения ею предельного износа. В табл. 1.1, 1.2 приведены технические и технико-экономические характеристики материалов пресс-форм для холодного прессования, определяющие выбор материала в зависимости от масштабов производства и ряда других факторов [1].

Для изготовления пресс-форм [7] применяют инструмен­тальные и износостойкие стали, легированные хромом, марганцем, вольфрамом и другими элементами. Рекомендуемые материалы для пресс-форм указаны в табл. 1.3.

Для повышения износостойкости матрицы ее рабочие поверхности подвергают хромированию, сульфидированию и другим методам упрочнения. Кроме того, для матриц, стержней, пуансонов рекомендуется металлокерамические твёрдые сплавы ВК8, ВК11, ВК15, ВК20, позволяю­щие в несколько раз увеличить их срок службы [7].

1.3. Формообразующее оборудование

Основное место среди оборудования для формообразования заго­товок и изделий из порошков занимает кузнечно-штамповочное (кузнечно-прессовое)

Таблица 1.1 - Свойства материалов в условиях работы пресс-форм для прессования порошков

оборудование, основным назначением кото­рого является объемное формообразование промежуточных заго­товок — прессовок или штамповок — из массы свободно насыпанного или предварительно сформованного порошка. Любая машина этой группы содержит в своем составе привод, аккумулятор энергии привода, передаточный механизм, исполнительное звено с формообразующим инструментом, силовоспринимающую кон­струкцию.

Общая классификация кузнечно-штамповочных машин приве­дена на рис. 1.1. В основу этой классификации положены: харак­тер изменения скорости

Таблица 1.2 - Приведенные относительные затраты на изготовление пресс-форм

рабочего звена исполнительного меха­низма машины на участке рабочего хода, т. е. перемещения во время преодоления сопротивления деформированию; уровень скорости приложения нагрузки в начальный момент рабочего хода; принцип работы машины. Количественные критерии для отнесения машины к тому или иному классу приведены в табл. 1.4, где v — скорость деформирующего инструмента в начальный момент деформирования; | v | —средняя скорость процесса фор­моизменения; t — продолжительность взаимодействия деформи­рующего

Таблица 1.3 - Рекомендуемые материалы для пресс-форм

инструмента и деформируемой заготовки; Т₀ — период наиболее медленных колебаний взаимодействующих масс.

В порошковой металлургии в той или иной степени находят применение все виды машин, представленных в классификацион­ной схеме.

Прессом называют машину квазистатического действия, в кото­рой преодоление сопротивления заготовки деформированию осу­ществляется при перемещении рабочего звена — ползуна, а усилие деформирования воспринимается замкнутой силовой несущей системой, включающей исполнительный механизм,

Рисунок 1.1 - Классификация кузнечно-штамповочных машин

Таблица 1.4 - Скоростные критерии классификации кузнечно-прессовых машин

Взаимодействие	Диапазон изменений относительных характеристик взаимодействия
максимальной скорости	продолжительности
Статическое	υ/׀υ׀ ≤	≤ t/
Квазистатическое	< υ/׀υ׀≤	10 < t/ ≤
Квазиударное	< υ/׀υ׀≤1	10 < t/ ≤
Ударное	1< υ/׀υ׀≤ 5	1< t/ ≤ 10
Квазиимпульсное	5< υ/׀υ׀≤ 10	0,5< t/ ≤ 1
Импульсное	10 < υ/׀υ׀	t/ ≤ 0,5

Молотом называют машину ударного и квазиударного действия, в которой сопротивление заготовки деформированию преодолевается за счет расходования кинетической энергии, накопленной исполнительным звеном к моменту начала деформирования. Ве­личина этой энергии является основным параметром молота. Аккумулятором энергии является ударная масса.

Роторной называют машину квазистатического действия, в ко­торой преодоление сопротивления заготовки деформированию осуществляется при вращении рабочего органа с инструментом или заготовки при непрерывном перемещении зоны контакта за­готовки с инструментом. Главными параметрами машины могут являться развиваемые ею усилия или крутящий момент. Акку­мулятором энергии является маховик.

Импульсной называют машину, в которой средний градиент нарастания скорости передающей среды во времени в процессе воздействия на деформируемый материал или промежуточное звено превышает 10⁴ м/с². Преодоление сопротивления заготовки дефор­мированию осуществляется средой, передающей давление — га­зом, жидкостью, твердым телом. Аккумулятором энергии является сам энергоноситель — взрывчатое вещество, горючий газ и др. Основным параметром является энергия импульса давления.

Изостатом называют машину квазистатического действия, в ко­торой преодоление сопротивления заготовки деформированию осуществляется средой, передающей давление. Основным пара­метром является давление рабочей среды, эта же среда является аккумулятором энергии.

Кроме кузнечно-прессовых машин, формообразующее обору­дование для порошковой металлургии включает в себя станы для прокатки порошка и экструдеры для формообразования загото­вок из пластифицированных порошков.

1.3.1. Характеристика прессов

При помощи прессов в порошковой металлургии осуществляют прессование порошков, калибрование спеченных заготовок, хо­лодную и горячую объемную штамповку порошковых (спеченных) заготовок, вырубку заготовок из порошкового листового проката. Независимо от типа прессы включают следующие основные узлы, которые показаны на рис. 1.2: станину 1 замкнутого (а) или разомкнутого (б) типа, являющуюся базовой деталью пресса, верхнюю 3 и нижнюю 6 плиты (траверсы), верхний пуансон 4, привод 2 верхней плиты или базирующихся на ней элементов, привод 8 нижней плиты или базирующихся на ней элементов, прессформу или прессующий блок 5, кассету-питатель для порошка или устройство для подачи калибруемых заготовок 10, устройства 7, выталкивающие отпрес­сованную (откалиброванную) заготовку из неподвижной матрицы (а) или стягивающие матрицу вниз с неподвижной заготовки (б), устройства вывода отпрессованной заготовки из рабочей зоны, устройства контроля, управления и переналадки пресса (на рис. 1.2 отдельными позициями не выделены), фундамент 9 или бесфундаментные амортизирующие устройства. Перечисленные узлы являются типичными для многих видов кузнечно-прессового оборудования (прессов и молотов для штамповки изделий из ком­пактных заготовок, прессов для формования пластмасс, прессов для некоторых видов листовой штамповки и вырубки и др.). Особенности прессуемого материала (порошка) обусловливают ряд особенностей конструкции типовых узлов и прессов в целом:

1) получение нескольких уступов в изделии (формование каж­дого из разновысотных элементов изделия) требует независимых силовых движений соответствующих пуансонов, поэтому прессы имеют несколько приводов силовых

движений верхних и нижних пуансонов, стержней, матрицы, или снабжаются специальной оснасткой — пресс-блоками (адаптерами), которые позволяют трансформировать простое движение траверсы пресса в ряд неза­висимых движений формообразующих элементов;

2) непостоянство физико-механических и технологических
свойств порошков обусловливает необходимость частой подналадки исходных и конечных положений пуансонов и матрицы, для чего прессы имеют

легкодоступные механизмы регулировок ходов и исходных положений рабочих частей;

3) прессы снабжают устройствами для удобного регулирования чисел ходов в широком диапазоне;

4) в связи с абразивными свойствами порошков все ответствен­ные механизмы и поверхности защищены от попадания на них по­рошков;

5) в связи с относительно невысокой надежностью механизмов
дозирования порошка и относительно невысокой точностью дозирования на прессах устанавливают указатели усилия прессования и ограничители по усилию.

Для оценки технического уровня пресса или гаммы прессов в сопоставлении с базовым представителем или базовой гаммой (конкурирующим типом, моделью) необходимо иметь ряд харак­теристик пресса, объединяемых в следующие группы:

1) силовые;

2) скоростные;

3) геометрические параметры рабочего пространства;

Рисунок 1.2 - Основные элементы конструкции прессов

для прессования порошков

4) габаритные и массовые характеристики пресса в целом;

5) параметры силового привода (мощность электродвигателей,
давление в гидро- и пневмосистемах);

6) температура и характеристики атмосферы в рабочем прост­ранстве (для прессов горячего прессования);

7) цена;

8) нормы точности;

9) нормы надежности и долговечности;

10) уровень механизации и автоматизации;

11) характеристики эргономичности, в том числе уровня тех­ники безопасности, промсанитарии и технической эстетики;

12) нормы ремонтопригодности, в частности, оснащенность
средствами диагностики технического состояния;

13) состав и характеристики оснастки и специального инстру­мента;

14) приведенная стоимость эксплуатации пресса в единицу времени.

Характеристики первых шести групп инженер-технолог заим­ствует из общетехнической легкодоступной литературы, цену — из прейскурантов и использует их на этапе предварительной оценки или выбора пресса. Для получения остальных характеристик необходимо располагать полным комплектом технической доку­ментации на конкретную модель пресса (гамму прессов) и инфор­мацией об опыте эксплуатации прессов на заводах-потребителях.

Приведенная стоимость эксплуатации является комплексным показателем, отражающим влияние всех частных технических показателей, и может быть рассчитана, если известны числовые значения частных показателей. При равенстве показателей каче­ства прессованных заготовок приведенная стоимость эксплуата­ции является на сегодняшний день наиболее полным и объективным количественным показателем качества прессов, так же как и дру­гих видов сложного оборудования.

Прессы, используемые и настоящее время в порошко­вой металлургии для одно- или двустороннего прессова­ния, по типу привода, направлению нагружения и степе­ни автоматизации могут быть классифицированы следу­ющим образом: гидравлические и механические, верти­кальные (верхнего и нижнего давления) или горизон­тальные (как правило, только гидравлические), автома­тизированные и неавтоматизированные. В свою очередь механические прессы бывают кривошипные, кривошипно-коленные, кулачковые и карусельные.

Прессы, применяемые в порошковой металлургии, должны обеспечивать: достаточное давление в требуе­мом направлении; возможность регулирования хода и скоростей прессования и выталкивания; возможность ре­гулирования наполнения пресс-формы порошком; син­хронизирование ходов составных пуансонов; возмож­ность регулирования рабочих ходов силовых передач; жесткость конструкции; износостойкость против абра­зивного действия прессуемого материала; простоту си­стем смазки и удобное расположение механизмов управления и регулировки.

Парк прессов, действующих на заводах, весьма мно­гообразен, что связано с неподдающимся точному уче­ту количеством типоразмеров изделий, прессуемых из порошков, которые различаются как по составу,- так и по прессовочным свойствам.

1.3.2. Механические прессы

Основными типами механических прессов, применяемых в порош­ковой металлургии, являются кривошипные (кривошипно-шатунно-ползунные и кривошипно-коленно-ползунные) и эксцентрико­вые (кулачковые). Кривошипные прессы применяют при прессовании и калибровании заготовок любых групп сложности, экс­центриковые — при прессовании заготовок простых форм типа гладких цилиндров и втулок [6].

Важнейшими комплек­тующими изделиями совре­менных прессов для прес­сования порошков являют­ся прессующие блоки (адап­теры), загрузочно-разгру-зочные механизмы, системы ЧПУ прессом.

Пресс-блоком (адаптером) называют приспособление, которое можно снимать с пресса и устанавливать на него, размещая внутри само­го пресс-блока пресс-форму, в которой прессуется поро­шок. Применение пресс-блоков позволяет:

1) быстро переналажи­вать пресс на изготовление различных деталей, посколь­ку при наличии нескольких пресс-блоков пресс-инстру­мент устанавливают в блок вне пресса и фонд времени работы пресса расходуется только на выполнение основной операции;

2) в определенной степени компенсировать неточность перемеще­ний и взаимного расположения траверс пресса, поскольку точность перемещения пресс-инструмента определяется в основном кон­струкцией блока, качеством изготовления его деталей и их сборки.

Пример конструкции пресс-блока представлен на рис.1.3. Матрицу пресс-

формы крепят в плите 8, а все остальные детали пресс-формы — в подвижных плитах, перемещающихся в верти­кальной плоскости относительно колонок, которые связаны с тра­версами пресса. Верхний пуансон 2 крепят к верхней плите пресса, а выталкиватель — к плите 13. Центральный стержень монтируют на плите 14. Плавание матрицы обеспечивается пружинами 9. При выталкивании вилка 18 убирается, плита матрицы упирается в плиту 19.

Пресс комплектуют несколькими пресс-блоками, каждый из которых предназначен для получения прессовок различной слож­ности. Схемы пресс-блоков и взаимодействия их элементов пред­ставлены на рис. 1.4—1.6.

Имитатор работы пресса позволяет разместить в нем пресс-блок и вне пресса осуществить настройку положений всех элементов пресс-формы, осуществляя их установочные перемещения и перемещения в рабочем режиме, под нагрузкой, так, как они будут осуществляться после установки пресс-блока в пресс. Кон­троль

Рисунок 1.3 - Инструментальный прессующий блок: 1 – верхняя плита; 2 – пуансон; 3 – толкатель; 4 – направляющие; 5 – колонки; 6 – матрица; 7 – крышка; 8 – плита; 9 – пружины; 10 – комбинированные колонки-втулки; 11 – пуансон; 12 – подвижная подпружиненная плита; 13 – промежуточная плита; 14 – нижняя плита; 15 – пробка; 16 – пружина; 17 – центральный стержень; 18 – вилка; 19 – плита.

Рисунок 1.4 - Схема работы прессующего блока для прессования простых изделий: 1 — матрица; 2 — неподвижный пуансон; 3 — подвижный стержень; 4 — верхний пу­ансон; I —заполнен; II — начало верхнего прессования; III — подпрессовка; IV — прессование закончено; V — начало удаления прессовки матрицы; VI — прессовка удалена

Рисунок 1.5 - Схема работы прессующего блока для прессования изделий средней слож­ности: 1 — матрица; 2 — неподвижный пуансон; 3 — нижний внешний пуансон; 4 — подвиж­ный стержень; 5 — верхний пуансон; I — заполнение; II — начало верхнего прессо­вания; III — подпрессовка; IV — прессование закончено; V — частичное удаление прессовки из матрицы; VI — прессовка удалена

Рисунок 1.6 - Схема работы прессующего блока для прессования изделий сложной формы: 1 — матрица; 2 — неподвижный пуансон; 3 — нижний наружный пуансон; 4 — ниж­ний внутренний пуансон; 5 — подвижный стержень; 6 — блок верхних пуансонов; последовательность работы (слева направо); I — заполнение; II — начало верхнего прессования; III — продолжение прессования с перемещением части порошка в по­лость верхнего пуансона; IV — прессование закончено; V – частичное удаления прессовки из матрицы; VI – прессовка удалена

правильности настройки осуществляют по пробной прес­совке, получаемой на имитаторе. Схема имитатора представлена на рис. 1.7.

Загрузочно-разгрузочный механизм позволяет без использо­вания ручного труда перенести настроенный пресс-блок из ими­татора в рабочее пространство пресса и взять его оттуда для де­монтажа или перенастройки в имитаторе.

Прессы могут снабжаться системой ЧПУ с выводом индикации настроечных и рабочих параметров на цифровые табло и дисплей.

1.4. Анализ работы пресс-формы

Пресс-форма устанавливается на автоматический пресс для прессования порошковых композиций типа АПФ-50. Данный пресс является аналогом пресса ТРА - 50 фирмы «Dorst», Германия, и производится на ДААЗе. Одной из особенностей данного пресса является то, что пресс-форма собирается на универсальном адаптере. Это позволяет производить быструю замену пресс-форм при работе, иметь заранее собранные и проверенные на стенде пресс-формы.

Пресс-форма состоит из охлаждаемой матрицы 1, которая устанавливается на средней плите адаптора. Верхний пуансон 5 пуансонодержателем 4 крепятся к подпуансонной плите 3, закрепленной к верхней плите адаптора Нижний пуансон 6 пуансонодержателем 4 крепится к плите 8, закрепленной на неподвижной плите адаптора. Стержень 2 оформляющий внутренний диаметр прессовки, через регулируемый переходник 7 и фланец 9 жестко закреплен на нижней плите адаптора, связанной с нижним гидроцилиндром пресса.

Работа пресс-формы (представлена на рис. 1.8):

1) В исходном положении порошок из объемного дозатора поступает в камеру засыпки матрицы.

2) После отхода дозатора начинает движение верхний пуансон, спрессовывающий порошок при заходе в матрицу.

Рисунок 1.7 - Имитатор работы пресса: 1 – рама; 2 – силовые цилиндры; 3 – пресс – блок; 4 – пресс-форма; 5 – ручное нагружающее устройство; 6 – панель органов настройки имитатора

Рисунок 1.8 - Схема работы пресс-формы

Далее, для обеспечения равноплотности прессовки происходит опускание (плавание) матрицы одновременно с верхним пуансоном на неподвижно стоящий нижний пуансон. Таким образом, осуществляется двухстороннее прессование. Изделие спрессовано.

3) Удаление прессовки производится методом стягивания матрицы с нее за счет дальнейшего опускания матрицы вниз. Стержень нижним гидроцилиндром пресса также отводится вниз, а верхний пуансон возвращается в исходное положение. Удаление прессовки из рабочей зоны может производится как манипулятором, так и дозатором при движении его для заполнения камеры засыпки при следующем цикле.

После возвращения матрицы и стержня в исходное положение цикл повторяется.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПРЕССА ТРА-50:

Усилие автомата, т 50

Максимальная высота засыпки порошка в матрицу, мм 180

Число ходов прессующей головки, мм 5 ÷ 20

Ход прессующей головки, мм 220

Усилие выталкивателя, т 50

Ход плавающей матрицы наибольший, мм 90

Усилие на упор центрального стержня, т 20

Регулировка положения верхнего пуансона, мм 195

Максимальное усилие отвода, т 50

Мощность электродвигателя, кВт 32

Габариты: Длина, мм 1600

Ширина, мм 1450

Высота, мм 3680

Вес машины, т 7,81

1.5. Расчёт основных элементов пресс-формы

1.5.1. Расчёт усилия прессования

Для придания формовке заданной плотности при прессовании в рабочей зоне пресс-формы, образуемой поверхностью матрицы, стержня и торцами пуансонов необходимо создать определенное давление, то есть приложить усилие на перемещающиеся пуансоны.

Величина усилия прессования определяется по формуле:

P=q·F·n, (1.1)

где F - площадь прессования, равная площади горизонтальной проекции изделия, см² (F =3,14см²);

n - число оформляющих гнезд в пресс-форме (n=1);

q - удельное усилие прессования, тс/ см².

Величина удельного усилия прессования зависит от применяемых материалов, их химической чистоты, размера и формы частиц, способа получения порошка, наличия пластификатора в составе смеси, плотности формовки. На величину удельного усилия прессования влияет также форма детали, соотношение высоты к диаметру, величина боковой поверхности детали, определяющая во многом величину внешнего трения. В силу этого величины удельного усилия прессования для каждого вида смесей исходных материалов и плотности детали определяются экспериментально на образцах определенного размера.

В качестве примера на рисунке 1.9 приводится зависимость удельного усилия прессования и плотности материала.

Для смеси на основе порошка железа с содержанием С - 0,35%, Сu - 3% и S - 0,2% величина удельного усилия прессования для достижения заданной плотности принимается 6 тс/см². В итоге получается:

Рисунок 1.9 - Зависимость удельного усилия прессования и плотности материала

1.5.2. Расчёт высоты прессовки

Высота прессовки зависит от допуска на высоту изделия, усадки при спекании, упругого последействия и припуска на калибровку.

Минимальный размер высоты прессовки:

(1.2)

где h_min – минимальная высота готового изделия, мм;

lh – величина упругого последействия, мм;

εh – усадка при спекании по высоте, мм;

n_к - припуск на калибровку, мм.

Калибровку принимаем без обжатия по высоте, следовательно, припуска под калибровку не предусматриваем.

При размере готовой детали мм, принимаем высоту прессовки мм.

1.5.3. Расчёт высоты загрузочной камеры

Высота H загрузочной камеры, т. е. части матрицы, засыпаемой порошком определяется:

(1.3)

где h_пр – высота прессовки, мм;

k – коэффициент высоты засыпки;

, (1.4)

где ρ_п – плотность прессовки, г/см³;

ρ_нас. – насыпная плотность, г/см³;

Тогда

Высота камеры засыпки под уступ H΄:

(1.5)

где h ₁ – высота уступа на прессовке;

1.5.4. Расчёт размеров стержня

Размеры стержня зависят от внутренних размеров изделия, упругого последействия, усадки при спекании и допускаемой величины износа.

Составляем уравнение для определения размеров стержня на операции формования.

Расчёт ведётся от размеров отверстия, нанесённого на чертеже детали:

, (1.6)

где р _окс. – размеры оксидированной детали, мм;

рост _окс. – рост оксидирования, мм;

l΄d – упругие последействия после калибровки, мм;

n _к- припуск на калибровку, мм;

εd – усадка при спекании, %;

ld – упругие последействия после формования, %;

Размеры откалиброванной детали, мм:

, (1.7)

Размеры калибровочного стержня, мм:

, (1.8)

Размеры спечённой детали, мм:

, (1.9)

Размеры формовки, мм:

, (1.10)

Размеры формовочного стержня, мм:

, (1.11)

Проверка: , (1.12)

Коэффициент упругого последействия берётся из таблицы 1.5 и в соответствии с

рисунком 1.10. Усадка при спекании берётся из таблицы 1.6 и из рисунка 1.11.

Таблица 1.5 - Коэффициент упругого последействия

Смесь
ЖГр0,25Д2

Таблица 1.6 - Коэффициент роста

Режим спекания

1.5.5. Расчёт размеров рабочей полости матрицы

Размеры рабочей полости матрицы зависят от наружных размеров изделия, упругого последействия, усадки при спекании и допускаемой величины износа матрицы.

Составляем уравнение для определения размеров матрицы на операции формования. Расчёт ведётся от наружных размеров детали, нанесённых на чертеже:

, (1.13)

Размеры откалиброванной детали, мм:

(1.14)

Рисунок 1.10 - Зависимость коэффициента упругого последействия от плотности

Рисунок 1.11 - Зависимость коэффициента роста от плотности

Размеры калибровочной матрицы, мм:

(1.15)

Размеры спечённой детали, мм:

(1.16)

Размеры формовки, мм:

(1.17)

Размеры формовочной матрицы, мм:

(1.18)

Проверка: (1.19)

Коэффициент упругого последействия берём из таблицы 1.5 в соответствии с рисунком 1.10. Усадку при спекании берём из таблицы 1.6 в соответствии с рисунком

Результаты расчётов размеров стержня и рабочей полости матрицы заносятся в таблицу 1.7.

Примечание:

Коэффициент упругого последействия 0,125%.

Усадка при спекании деталей из этой смеси практически не изменяется и составляет 0,67% по наружному диаметру для деталей типа втулка.

Таблица 1.7 - Результаты расчётов размеров стержня и рабочей полости матрицы

Размеры оксидированной детали, pокс ., мм	Рост оксиди-рования, ростокс ., мм	Размеры откалиброванной детали, p2, мм	Упругие последействия, l΄d, мм	Размеры калибровочного инструмента, Инстр.p2, мм	Припуск на калибровку, nк , мм.	Размеры спечённой детали, S1, мм
расчётный	принятый
	0,007	9,687 9,747		-		-
	0,007	6,047 6,127		-		-
	0,07	17,993 17,563		-		-
	0,07	15,993 15,563		-		-
	0,07	13,993 3,563		-		-

Продолжение табл. 1.7.

Усадка спекания, εd, %	Размеры формовки, p1, мм	Упругие последействия, ld,%	Размеры формовочного инструмента, Инстр.p1, мм	Название инструмента
Расчётный	Принятый	Расчётный	Принятый
-	9,687		0,125	9,738		Стержень
-	6,047 6,127		0,125	6,05 6,13
0,67	17,87 17,44		0,125	17,84 17,418		Матрица
0,67	15,88 15,46		0,125	15,86 15,44
0,67	13,89 13,47		0,125	13,87 13,45

1.6. Расчёт матрицы на прочность и жёсткость

Матрица пресс-формы [6] рассматривается как толстостенная труба (сосуд), нагруженная равномерно распределённым по высоте внутренним боковым давлением P_б. Под действием этого давления в стенке матрицы возникают радикальные и тангенциальные растягивающие напряжения, достигающие своих максимальных значений на внутренней поверхности матрицы. Расчет толщины стенки мат­рицы по условию прочнос­ти приводит к соотношению r₂/r₁ = а = 1,2 ÷ 1,25, т. е. к тонкостенной матрице. Тонко­стенные матрицы работают в условиях значительных радиальных упругих деформаций. Если упругая деформация матрицы превы­шает допустимую величину, выпрессовка спрессованной заготовки сопровождается появлением трещин на ее боковой поверхности. При работе на прессах-автоматах матрицы нагружаются с часто­той 0,1 — 1 Гц и при значительной величине деформации стано­вится возможным их усталостное разрушение задолго до того, как матрица утрачивает работоспособность вследствие износа.

Исходя из изложенного, стальные однослойные матрицы рассчитывают из условия обеспечения жесткости, условие прочности в этом случае удовлетворяется автоматически:

(1.20)

где Δr₁ — радиальная деформация внутренней поверхности ма­трицы;

Е — модуль упругости;

µ— коэффициент Пуассона.

Для составной (бандажированной) матрицы условие жёсткости и прочности проверяется по формуле:

(1.21)

где P_б – внутреннее боковое давление, Па;

r₁ – внутренний радиус матрицы, мм;

Е =2,15∙10¹¹ Па – модуль упругости для стали;

µ =0,25 – коэффициент Пуассона для стали;

[Δr₁] – функция плотности и конфигурации прессовки, способа выталкивания прессовки, скоростных характеристик пресса, расчётной долговечности матрицы и для конкретных деталей определяется экспериментально в процессе технологической подготовки производства;

- соотношение внутреннего и наружного радиусов.

Внутреннее боковое давление принимается равным 500 МПа:

Р_б=500 МПа.

Величину [Δr₁] принимаем равную 100∙10^-6 м:

[Δr₁]= 100∙10^{-6 м.}

Найдём радиусы матрицы (при P_б > 200 МПа):

- внутренний радиус r₁=40мм;

- наружный радиус (1.22)

- средний радиус (1.23)

Найдём соотношение а:

Таким образом, радиальная деформация внутренней поверхности матрицы будет:

93,02∙10^-6 < 100∙10^{-6 м.}

Условие прочности и жёсткости выполнено.

Относительное увеличение радиуса внутренней поверхности:

(1.24)

где - допускаемое относительное увеличение (относительная деформация) радиуса внутренней поверхности.

По таблице 18 [2] относительная деформация при а =4 и P_б =500 МПа:

=0,36%.

Тогда будет:

0,13% < 0,36%

Условие выполнено.

Определим контактное давление [3]:

(1.25)

где (1.26)

(1.27)

Е=2,15∙10¹¹ Па – модуль упругости для стали;

δ – натяг при посадке бандажа;

µ=0,25 – коэффициент Пуассона для стали;

Определяем величину натяга [6] при посадке стального бандажа в стальную матрицу:

(1.28)

= – 0,25 =1,37,

Тогда контактное давление будет:

.

Строим эпюры радиальных и тангенциальных растягивающих напряжений до нагружения (рисунок 1.12) и после нагружения (рисунок 1.13). Находим максимальные и минимальные значения напряжений [8]:

.

1.7. Расчёт на прочность и изгиб нижнего пуансона

После разработки эскизного [6] проекта пресс-формы необходимо произвести поверочный расчет на прочность пуансонов, стержней, опорных плит, подкладок, пружин.

Пуансоны проверяются на сжатие по формуле:

Рисунок 1.12 - Эпюра радиальных и тангенциальных растягивающих напряжений до нагружения

Рисунок 1.13 - Эпюра радиальных и тангенциальных растягивающих напряжений после нагружения

(1.29)

где σ_сж – напряжение, возникающее в пуансоне;

P – усилие прессования;

F_н – площадь наименьшего поперечного сечения пуансона;

[ σ_сж ] – допускаемое напряжение на сжатие для стали.

Усилие прессования P=18,84 т∙с = 18840 кг∙с (пункт 1.5.1).

[σ_сж]=180 МПа – принимаем для стали Х12МФ.

Площадь наименьшего поперечного сечения пуансона:

Таким образом, σ_сж будет:

16,7<180 МПа;

Условие прочности при сжатии выполняется.

Пуансоны и стержни, имеющие длину l>3d, необходимо прове­рять на продольный изгиб [6] по формуле:

(1.30)

где l – длина свободной части пуансона, равная расстоянию от пуансонодержателя до середины заходной части пуансона;

J_min – момент сопротивления наименьшего сечения пуансона;

Е – модуль упругости;

- критическая нагрузка, при которой может начаться изгиб;

Коэффициент запаса прочности при продольном изгибе определяется по формуле:

(1.31)

где F – полное усилие прессования.

Обычно n =2-3 для пуансонов для закалённой стали.

Условие прочности при продольном изгибе не проверяем, т.к. l < 3d пуансона, и считаем, что пуансон удовлетворяет условию жёсткости при изгибе.

1.8. Антифрикционные материалы на основе железа

Материалы на основе железа являются наиболее распространенными спеченными антифрикционными материалами [9]. Они успешно конкурируют с литыми сплавами типа баббитов и бронз и со спеченными бронзами вследствие недефицитности исходного сырья и возможности широкого влияния на их антифрикционные свойства за счет легирования и вве­дения различных присадок. Эти материалы обладают большей износо­стойкостью и способны работать при больших нагрузках, чем бронза.

На основе железа получены разнообразные спеченные антифрикци­онные материалы — пористое железо, пропитываемое смазкой, железо-графит, железо—медь—графит, сульфидированные железографитовые ма­териалы, материалы с присадками в качестве твердой смазки фторидов кальция или бария, пористые материалы, пропитываемые свинцом или легкоплавкими сплавами на основе меде, олова, свинца и других при­садок, сульфидированные нержавеющие стали, сложнолегированные по­ристые материалы и др. Введение в сплавы железа легирующих добавок повышает физико-механические свойства и обеспечивает работоспособ­ность материалов в условиях абразивного износа, повышенных нагрузок, скоростей скольжения и температур, присутствия агрессивных газов и жидкостей, значительно расширяя возможные пределы работоспособности спеченных антифрикционных материалов и области их применения. При этом каждая легирующая присадка выполняет определенную функцию.

1.8.1. Пористое железо [9]

Это наиболее простой тип материалов, отличающих­ся ферритной структурой и наличием пор. Они имеют следующие свой­ства:

Плотность 5,1—6,6г/см³
Предел прочности на растяжение 10—22 кГ/мм²

Модуль упругости 7500—14500 кГ/мм²

Относительное удлинение 5—13%

Предел прочности на сжатие 65—70 кГ/мм²

Твердость по Бринеллю 35—80 кГ/мм²

Ударная вязкость 0,3—1,0 кГм/см²

Электросопротивление 22—25 мкОм∙мсм

При обильной подаче смазки длительная работоспособность такого материала обеспечивается при нагрузках 20—25 кГ/см² и скорости сколь­жения 1—2 м/с (PV = 25÷50 кГ·м/см²∙с). С увеличением скорости скольжения и в режиме самосмазывания допустимая величина нагрузки резко уменьшается и значение PV не превышает 7—16 кГ·м/см²∙с. Использование пористого железа в более тяжелых режимах трения ограничено рабочей темпера­турой, которая не должна превышать 70—80°С. Хотя железо имеет высокий предел прочности при температурах 300—400°С, его способ­ность выполнять роль несущей конструкции ограничена из-за развития процессов пластической деформации, разложения смазки и потери эффекта самосмазывания. Поэтому срок службы подшипника с увеличе­нием значения PV резко сокращается (рис. 1.14).

Рисунок 1.14 - Зависимость срока службы подшипников из пористого железа от вели­чины PV

Повышение предельно допустимого давления и скорости скольжения для такого типа материала можно достигнуть путем рационального конструирования подшипникового узла, обеспечи­вающего интенсивное охлаждение

и подачу смазки под давлением, удлинением времени приработки и подбором типа используемых сма­зок. При этом материалы могут кратковремен­но работать при нагрузках на подшипник до 70—100 кГ/см² при скорости скольжения до 5 м/с.

Пористое железо используется в различных отраслях промышленности для изготовления подшипников скольжения, которым придается свойство самосмазывания путем пропитки пор маслом, например для прядильных колец, прецизионных подшипников бытовой аппаратуры, приборов, счетно-ре­шающих

устройств и т. п. Износостойкость пористого железа по­вышают различными способами, основным из которых является легиро­вание.

1.8.2. Железографит [9]

Железографит наиболее распространенный материал на основе желе­за. Добавка графита до 1,5% позволяет использовать железографитовые композиции для работы в присутствии смазки, подаваемой дополнитель­но, а также в режиме самосмазывания. Однако в последнем случае срок их службы меньше, ниже предельно допустимые нагрузки и скорости скольжения, чем в случае подачи дополнительной смазки.

При содержании графита в материале более 1,5% наличие структур­но-свободного графита благоприятно сказывается на его антифрикцион­ных свойствах, особенно в условиях смазки. Данные, которые показывают пределы достигаемых свойств материалов, обеспечиваемые изменением содержания графита, уровень которых в значительной степени зависит от пористости, приводятся в табл. 1.8.

Таблица 1.8 - Свойства антифрикционных спеченных материалов композиции композиции железо – графит

Cодержание графита (остальное Fe), мас. %	П, %	Плотность, г/	HB, кГ/м	Ударная вязкость, кГ·м/	PV, кГ·м/ ·с
0,5 - 0,8 0,8 - 1,5   1,5 - 2,3 2,3 – 3,0 5,0 7,0 10,0	6 – 26 1,4 – 27   15 – 35 17 – 35 16 – 19 18 – 25 21 - 23	5,8 – 7,4 5,7 – 7,4   6,7 4,5 – 6,0 - - -	65 – 80 60 – 185   55 – 130 30 – 145 80 – 98 25 – 75 42 – 58	2,0 – 5,0 1,0 – 3,0   0,06 – 0,6 0,2 - 1,0 0,7 – 0,9 0,15 – 0,6 -	-   70 – 300

Продолжение табл. 1.8 – Свойства антифрикционных спеченных материалов композиции железо – графит

Пределы прочности, кГ/	Предельно допустимая нагрузка, кГ/	Предельно допустимая скорость скольжения, м/с
9,8-47 * 18-60 * 13-22 * 8-35,5 * 7-28 23-26 15-19 8,5-15	-   10-60 22-45 36,3-46,5 20-32,5 14,5-23,5	- 50-80   40-80 50-70 - 50-60 -	- 40-50   30-100 -	2-3   2-3

Электропроводность таких материалов в интервале температур 70—480°С в зависимости от пористости, содержания графита и температуры испы­таний равна примерно (5,00—1,10)·10^-4 Ом^-1∙см^-1 и уменьшается с повышением температуры и содержания графита, а теплопроводность составляет 0,054—0,143 кал/см·с∙град. Их модуль упругости ра­вен 11000—13000 кГ/мм².