Методами порошковой металлургии

На третьем этапе для сравнения с другими видами заготовок анализируют годовую программу выпуска порошковых заготовок, которая должна быть не ниже критической, коэффициент исполь­зования материала и себестоимость изготовления заготовки с учетом последующей механической обработки.

Заготовки, намечаемые для производств методами порошковой металлургии по сложности технологической подготовки их произ­водства, можно подразделить на: заготовки, имеющие аналоги по конструктивно-технологическим признакам подобной сложности из выбранного типа КПМ, которые освоены промышленностью и мо­гут быть полностью изготовлены по отработанной технологии; заготовки, не имеющие аналогов подобной сложности с достаточным опытом промышленного изделия, для которых требуется проверка отдельных технологических решений; заготовки, не имеющие ана­логов по конструктивно-технологическим признакам из выбранно­го типа КПМ с каким-либо опытом промышленного внедрения. Для производства заготовок первой категории могут быть использова­ны типовые или групповые технологические процессы, для заго­товок третьей категории необходима разработка новых технологи­ческих процессов, а в ряде случаев проведение научно-исследовательских работ. В меньшем объеме такие работы проводятся при технологической подготовке производства заготовок второй кате­гории.

Проектирование заготовок из порошковых материалов

Перед оформлением чертежа порошковой заготовки необходимо тщательно проанализировать технологичность ее конструктивных форм.

С усложнением формы прессуемой заготовки затрудняется до­стижение равномерной плотности во всех ее частях. При прес­совании перемещение частиц порошка происходит в основном толь­ко в направлении, параллельном давлению прессования. Поэтому приходится применять составные пуансоны, части которых имеют независимое друг от друга движение. Каждый переход сечения за­готовки необходимо прессовать отдельным пунсоном и в отдельной части матрицы. Чем сложнее форма заготовки, тем больше переходов сечения, тем сложнее и дороже пресс-форма для изготовления заготовки. При изготовлении заготовок повышенной сложности приходится применять разрезные матрицы.

Сложность изготовления пресс-форм, их стойкость и стоимость являются определяющими факторами целесообразности изготовле­ния заготовок методами порошковой металлургии. Иногда, осо­бенно в условиях массового производства, для обеспечения техно­логичности, следует изменить конфигурацию порошковой и сопря­гаемой с ней деталей. Для сохранения формы прессовки при выталкивании из пресс-формы порошковые заготовки не должны иметь конструктивных элемен­тов, препятствующих свободному их выталкиванию (различных приливов и углублений, расположенных под углом к оси прессова­ния, косых ребер и пр.). Следует максимально уменьшить количество изменений тол­щины или диаметра заготовки вдоль оси (рис. 4.19,1), Также необходимо избегать резких изменений толщины стенок (рис. 4.19, 2).

Рис. 4.19. Примеры конструкций порошковых заготовок:

а – технологично; б - нетехнологично

Толщина стенки прессовок диаметром 10–15 мм и высотой 15–20 мм должны быть не менее 1,2–1,5 мм. У более крупных заго­товок минимальная толщина стенок вырастает (ориентировочно 0,8 мм на каждые 25 мм длины). При высоте прессовки меньше диаметра минимальная толщины стенки составляет 1,6 мм. Толщи­на донной части глухих отверстий должна быть не менее 2–3 мм. Отверстия должны располагаться на расстоянии не менее 2–3 мм от края заготовки и друг от друга. При толщине стенок или фланцев до 2,5 мм их наружные углы закругляют, а при больших толщинах выполняют фаску под углом 45°. У основания коничес­ких поверхностей предусматривают цилиндрический поясок ши­риной не менее 0,5 мм. В конструкциях заготовки рекомендуется избегать применения узких и длинных выступов (рис. 4.19, 3), длин­ных и узких выемок (рис. 7.2, 4), ширина таких выступов и выемок должна быть не менее 3–4 мм, обратной конусности (рис. 7.2, 5), острых углов (рис. 7.2, 6) и других форм, приводящих к ослабле­нию пресс-форм. Необходимо предусматривать небольшие площад­ки на концах скосов и углов, что позволит притупить острые углы на торцах пуансонов. При сопряжении поверхностей следует пред­усматривать радиус закругления не менее 0,25 мм для внутренних и не менее 2,5 мм для наружных поверхностей. Скругленные углы способствуют снижению сопротивления перемещения порошка в полости матрицы.

Рекомендуется заменять фигурные отверстия в деталях круг­лыми (рис. 4.19, 7), что удешевляет и упрощает конструкцию пресс-формы. В прямоугольных отверстиях для облегчения перемещения порошка углы выполняют закругленными. Вместо косоугольной насечки следует проектировать крупную прямоугольную, которую легче можно выполнить в пресс-форме.

Следует избегать применения радиальных канавок (рис. 7.2, 8), выемок или отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования (рис. 7.2, 9). Если же такие элементы формы необхо­димы, то их следует получать механической обработкой резанием после спекания прессовки.

Фланцы, расположенные на небольшом расстоянии от края ци­линдра, лучше прессовать более толстыми с припуском под обта­чивание после спекания. Резанием обрабатывают также внутрен­нюю и наружную резьбы. Выемки или радиальные канавки, рас­положенные параллельно оси прессования, могут быть выполнены пресс-инструментом. Ступицы шестерен следует выполнять на 2–3 мм меньше диаметра окружности впадин (рис. 7.2, 10). В случа­ях, когда это возможно, следует заменять криволинейные и непа­раллельные поверхности параллельными. Это, в частности, относит­ся к деталям, которые ранее изготовлялись литьем ли ковкой. В зависимости от удобства прессования углубления и пазы целе­сообразно заменять выступами (рис. 7.2, 11) или пазы заменять углублениями (рис. 7.2,12). В целях облегчения выталкивания прессовок, особенно фланцев, из пресс-форм, их следует выполнять с конусностью К =0,007ε_ч, где ε_ч – упругие последействия по диа­метру, %.

При изготовлении изделий сложной формы, получение равно­мерного распределения плотности в которых затруднительно, части изделия формируются отдельно, а затем их соединяют в одно целое при спекании или пропитке легкоплавким металлом. Если деталь имеет длинную выступающую часть, то для увеличения жесткости ее прессуют с дополнительными ребрами.

Точность заготовок, получаемых методами порошковой металлургии

При прессовании в закрытых пресс-формах получают заготовки заданной формы и размеров. Однако допуски на их размеры по длине и поперечному сечению более высокие по сравнению с точ­ной механической обработкой. Точность изготовления порошковых заготовок зависит от точности пресса, пресс-форм, стабильности упругих последействий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износа пресс-форм, роста линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении и т. д. Упругое последей­ствие зависит от ряда технологических факторов: дисперсности и формы частиц порошка, содержания оксидов, твердости материа­ла частиц, давления, прессования, наличия смазок и пр. Упругое последействие в заготовках из порошков хрупких и твердых мате­риалов всегда больше, чем в изделиях из мягких и пластичных по­рошков. Оно сильнее проявляется по высоте заготовок (до 5–6 %), чем по диаметру (не более 2–3 %). Упругое последействие облегча­ет снятие заготовок с пуансона за счет увеличения охватывающих размеров, но препятствуют их извлечению из пресс-форм при нали­чии всевозможных выступов, ребер и пр.

Точность размеров холоднопрессованных брикетов при уплот­нении «по давлению» соответствует для высотных размеров 12–14-му квалитетам, для диаметральных – 6–8-му квалитетам; при уплотнении с ограничителем для высотных размеров точность со­ответствует 12-му квалитету, для диаметральных – 8–11-му квалитету. Спекание приводит к снижению точности размеров на 1–2 квалитета.

Точность геометрической формы и взаимного расположения по­верхностей прессовок (круглость, соосность) практически не зави­сят от схемы прессования и определяются в основном точностью пресс-форм. Поэтому точность изготовления пресс-форм должна быть на 1 квалитет выше заданной точности порошковых загото­вок.

Распределение отклонений от номинальных диаметральных раз­меров деталей типа втулок при уплотнении «по давлению» подчи­няется нормальному закону, дисперсия которого зависит от точности изготовления деталей пресс-формы. Дисперсия нормального закона для соосности втулок численно равна зазору между подвиж­ными деталями пресс-форм. При изготовлении заготовок с точнос­тью по 6–7-му квалитету для обеспечения их точности по соосности пресс-формы изготавливают по 3–6-му квалитету. При этом реко­мендуются следующие минимальные зазоры между подвижными элементами: при диаметре изделий 18 мм – 4–14 мкм; 26 мм – 4–18 мкм; 45мм – 8–26 мкм. При использовании пресс-формы с шероховатостью формообразующих поверхностей R_a=2,5–0,02 мкм достигается шероховатость холоднопрессованных брикетов R_а=5,0–0,16 мкм. Шероховатость спеченных изделий составляет R_a=2,5–0,8 мкм.

Для повышения точности пористых порошковых заготовок при­меняют калибрование путем обжатия их после спекания в кали­бровочных пресс-формах при припуске 0,5–1,0%. Усилие при ка­либровке составляет 10–25 % усилия холодного прессования. Уп­ругое расширение после калибрования достигает 0,1 %. Отклонения диаметральных размеров калиброванных изделий от соответствую­щих размеров матрицы или стержня калибрующей пресс-формы не превышает 5–10 мкм.

Калиброванию подвергаются наружные и внутренние поверх­ности заготовок.

Технико-экономическая эффективность применения порошковых заготовок

Методы порошковой металлургии позволяют экономить трудо­вые и материальные ресурсы в машиностроении и при эксплуата­ции машин. В ряде случаев порошковые конструкционные материа­лы по своим уникальным свойствам не имеют аналогов и позво­ляют обеспечивать выпуск качественно новой продукции.

Экономическая эффективность изготовления порошковых заго­товок тем больше, чем больше их серийность. Поэтому такая тех­нология доступна только при годовой программе выпуска в неско­лько тысяч штук. Опыт промышленности показывает, что заготовки из литья и проката черных металлов целесообразно переводить на изготовление из порошков при серийности 10 000 шт., а заготов­ки из цветных металлов – при серийности 2000–3000 шт.