RU2781513C1 - Method for electroplastic molding of titanium alloy parts - Google Patents

Abstract

FIELD: medical technology.

SUBSTANCE: invention relates to the electroplastic molding treatment of titanium alloys and can be used in the manufacture of medical implants. A mechanical load and a pulsed electric current are applied to the workpiece. The mechanical load is created by a press at a deformation temperature not exceeding 350°C. In this case, a punch and a die are used, electrically isolated from the press. The pulse current is supplied to the punch and the matrix with a frequency F = 100-1000 Hz. Pulse duration τ=100-1000 microseconds. Amplitude current density j=10-100 A/mm², space factor 10-20.

EFFECT: as a result, the required plastic molding of titanium semi-finished products is provided without cracking.

1 cl, 4 ex

Description

Изобретение относится к электропластической формообразующей (изгиб, прессование) обработке титановых сплавов, в частности, может быть использовано при изготовлении имплантатов медицинского назначения.The invention relates to electroplastic shaping (bending, pressing) processing of titanium alloys, in particular, can be used in the manufacture of medical implants.

Известен способ электропластического формования деталей из титановых сплавов, включающий приложения к заготовке механической нагрузки и импульсного электрического тока.A known method of electroplastic molding of parts made of titanium alloys, including the application of mechanical load and pulsed electric current to the workpiece.

(Патент РФ №2086338, B21J 5/00, 1994 г.)(Patent RF No. 2086338, B21J 5/00, 1994)

Способ реализуется путем расчета направлений главных напряжений (растяжения, сжатия) в деформируемой заготовке, последующей деформации заготовки до уровня напряжений, превышающих предел текучести материала, и пропускании через заготовку, без снятия нагрузки, электрического тока. Деформирование останавливают, нагрузку фиксируют. Импульсы электрического тока пропускают поочередно во всех предварительно установленных направлениях главных напряжений. Деформирование продолжают до достижения напряжений, превышающих предыдущий уровень на 8-10%.The method is implemented by calculating the directions of the main stresses (tension, compression) in the deformable workpiece, subsequent deformation of the workpiece to a stress level exceeding the yield strength of the material, and passing an electric current through the workpiece without removing the load. The deformation is stopped, the load is fixed. Electric current pulses are passed in turn in all predetermined directions of the main voltages. Deformation is continued until stresses exceeding the previous level by 8-10% are reached.

Данный способ по технической сущности и достигаемому результату наиболее близок к изобретению и, поэтому, принят в качестве его прототипа.This method, in terms of technical essence and the achieved result, is closest to the invention and, therefore, is adopted as its prototype.

Реализация способа осуществляется регулированием рабочих параметров процесса в зависимости от размера зерна, исходной структуры, площади поперечного сечения заготовок. С увеличением диаметра заготовок или толщины, предпочтительным является снижение частоты тока и увеличение длительности импульса и/или плотности в указанных пределах.The implementation of the method is carried out by adjusting the operating parameters of the process depending on the grain size, the initial structure, the cross-sectional area of the workpieces. With an increase in the diameter of the workpieces or thickness, it is preferable to reduce the frequency of the current and increase the pulse duration and/or density within the specified limits.

Недостатками известного способа является поочередное пропускание импульсов в направлениях действия главных напряжений, что сильно замедляет процесс деформации, а также усложняет схему подключения генератора. Кроме того, ведением процесса при высокой температуре - 800°С ведет к образованию трещин в готовом изделии.The disadvantages of the known method is the alternate transmission of pulses in the directions of action of the main stresses, which greatly slows down the deformation process, and also complicates the generator connection circuit. In addition, the conduct of the process at a high temperature - 800°C leads to the formation of cracks in the finished product.

Ожидаемый технический результат в предложенном способе изобретения - ускорение процесса с одновременным улучшением трещиностойкости.The expected technical result in the proposed method of the invention is the acceleration of the process with a simultaneous improvement in crack resistance.

Поставленная задача решается способом электропластического формования деталей из титановых сплавов, включающем приложения к заготовке механической нагрузки и импульсного электрического тока, причем механическая нагрузка на заготовку создается прессом при температуре деформации не превышающей 350°С, с использованием пуансона и матрицы, электрически изолированных от пресса, а импульсный ток подводится к пуансону и матрице, с частотой F=100-1000 Гц, длительностью импульса τ=100-1000 мкс, при амплитудной плотности тока j=10-100 А/мм² и скважности (отношение периода к длительности импульса) 10-20.The problem is solved by the method of electroplastic forming of parts from titanium alloys, including the application of mechanical load and pulsed electric current to the workpiece, and the mechanical load on the workpiece is created by a press at a deformation temperature not exceeding 350°C, using a punch and a matrix electrically isolated from the press, and pulsed current is supplied to the punch and matrix, with a frequency F=100-1000 Hz, pulse duration τ=100-1000 μs, at an amplitude current density j=10-100 A/mm ² and a duty cycle (the ratio of the period to the pulse duration) 10- twenty.

Низкая температура деформации ниже температуры полиморфного превращения титана, способствует снижению толщины оксидной пленки, в отличии от горячей штамповки. Данное обстоятельство улучшает технологичность, снижает трудозатраты и потребление электрической энергии. Изменение микроструктуры сплавов, в отличие от «горячей» деформации незначительно, рост зерна отсутствует, что благоприятно сказывается на механических характеристиках конечного изделия.The low temperature of deformation below the temperature of polymorphic transformation of titanium contributes to the reduction of the thickness of the oxide film, in contrast to hot stamping. This circumstance improves manufacturability, reduces labor costs and consumption of electrical energy. The change in the microstructure of the alloys, in contrast to the "hot" deformation, is insignificant, there is no grain growth, which favorably affects the mechanical characteristics of the final product.

Изобретение иллюстрируют примерами выполнения.The invention is illustrated by examples.

Пример 1. Осуществляют изгиб заготовок медицинских имплантатов из сплава титана в виде углообразных пластин. Для формования используется гибочный пресс, с изолированной формообразующей оснасткой - матрицей и пуансоном. Исходным материалом является полоса сечением 2×10 мм и длиной 45 мм. Лист разрезается на карточки, из которых электроэрозионным методом вырезаются заготовки. Заготовки подвергают изгибу до угла 120°°, при температуре 250°С. Параметры импульсного тока, вводимого в зону деформации, регулируются генератором и составляют: амплитудная плотность тока 100 А/мм², частота 1 кГц и длительность импульсов τ=100 мкс, скважность 10.Example 1. Bending of blanks of medical implants made of titanium alloy in the form of angled plates. For molding, a bending press is used, with isolated forming equipment - a matrix and a punch. The starting material is a strip with a cross section of 2×10 mm and a length of 45 mm. The sheet is cut into cards, from which blanks are cut using the electroerosion method. The workpieces are subjected to bending to an angle of 120°°, at a temperature of 250°C. The parameters of the pulsed current introduced into the deformation zone are controlled by the generator and are: amplitude current density 100 A/mm ² , frequency 1 kHz and pulse duration τ=100 μs, duty cycle 10.

Пример 2.Example 2

Осуществляют изгиб заготовки из сплава титана в виде прутка. Для формования используется гибочный пресс, с изолированной формообразующей оснасткой - матрицей и пуансоном. Исходным материалом является пруток сечением 10 мм и длиной 40 мм. Заготовку подвергают изгибу до угла 110°, при температуре 300°С. Параметры импульсного тока, вводимого в зону деформации, регулируются генератором и составляют: амплитудная плотность тока 10 А/мм², частота 100 Гц и длительность импульсов τ=1000 мкс, скважность 10.Bending of the titanium alloy billet is carried out in the form of a rod. For molding, a bending press is used, with an isolated forming equipment - a matrix and a punch. The starting material is a rod with a cross section of 10 mm and a length of 40 mm. The workpiece is subjected to bending to an angle of 110°, at a temperature of 300°C. The parameters of the pulse current introduced into the deformation zone are controlled by the generator and are: amplitude current density 10 A/mm ² , frequency 100 Hz and pulse duration τ=1000 μs, duty cycle 10.

Пример 3.Example 3

Осуществляют изгиб заготовок из сплава титана в виде углообразных пластин. Для формования используется гибочный пресс, с изолированной формообразующей оснасткой - матрицей и пуансоном. Исходным материалом является полоса сечением 2×10 мм и длиной 45 мм. Лист разрезается на карточки, из которых электроэрозионным методом вырезаются заготовки. Заготовки подвергают изгибу до угла 120°, при температуре 500°С. Параметры импульсного тока, вводимого в зону деформации, регулируются генератором и составляют: амплитудная плотность тока 20 А/мм², частота 1000 Гц и длительность импульсов τ=500 мкс, скважность 2.Workpieces made of titanium alloy are bent in the form of angular plates. For molding, a bending press is used, with an isolated forming equipment - a matrix and a punch. The starting material is a strip with a cross section of 2×10 mm and a length of 45 mm. The sheet is cut into cards, from which blanks are cut using the electroerosion method. The workpieces are subjected to bending to an angle of 120°, at a temperature of 500°C. The parameters of the pulse current introduced into the deformation zone are controlled by the generator and are: amplitude current density 20 A/mm ² , frequency 1000 Hz and pulse duration τ=500 μs, duty cycle 2.

Пример 4.Example 4

Осуществляют изгиб заготовки из сплава титана в виде прутка. Для формования используется гибочный пресс, с изолированной формообразующей оснасткой - матрицей и пуансоном. Исходным материалом является пруток сечением 10 мм и длиной 40 мм. Заготовку подвергают изгибу до угла 110°, при температуре 430°С. Параметры импульсного тока, вводимого в зону деформации, регулируются генератором и составляют: амплитудная плотность тока 50 А/мм², частота 600 Гц и длительность импульсов τ=200 мкс, скважность 8,3.Bending of the titanium alloy billet is carried out in the form of a rod. For molding, a bending press is used, with an isolated forming equipment - a matrix and a punch. The starting material is a rod with a cross section of 10 mm and a length of 40 mm. The workpiece is subjected to bending to an angle of 110°, at a temperature of 430°C. The parameters of the pulsed current introduced into the deformation zone are controlled by the generator and are: amplitude current density 50 A/mm ² , frequency 600 Hz and pulse duration τ=200 μs, duty cycle 8.3.

Положительный эффект получен при изготовлении образцов изделий по примерам 1 и 2, при оптимальных параметрах процесса и состоит в получении изделий без образования трещин и окалины, которая образуется при штамповке известным способом при температуре 800°С. Тем самым исключается трудоемкая операция ручного шлифования поверхности. Формообразование образцов изделий по примерам 3 и 4, изготовленных при нарушении, заявленных оптимальных параметров процесса, признано неудачным, а изделия забракованы.A positive effect was obtained in the manufacture of samples of products according to examples 1 and 2, with optimal process parameters and consists in obtaining products without cracking and scale, which is formed during stamping in a known way at a temperature of 800°C. This eliminates the time-consuming operation of manual grinding of the surface. The shaping of product samples according to examples 3 and 4, made in violation of the declared optimal process parameters, was considered unsuccessful, and the products were rejected.

Предложенный способ обеспечивает требуемое пластическое формообразование изделий из титановых полуфабрикатов без образования трещин, что благоприятно сказывается на производительности способа, качестве и технологичности получения готовых изделий.The proposed method provides the required plastic shaping of products from titanium semi-finished products without the formation of cracks, which favorably affects the productivity of the method, the quality and manufacturability of finished products.

Claims (1)

Способ электропластического формования деталей из титановых сплавов, включающий приложение к заготовке механической нагрузки и импульсного электрического тока, отличающийся тем, что механическая нагрузка на заготовку создается прессом при температуре деформации, не превышающей 350°С, с использованием пуансона и матрицы, электрически изолированных от пресса, а импульсный ток подводится к пуансону и матрице с частотой F=100-1000 Гц, длительностью импульса τ=100-1000 мкс, при амплитудной плотности тока j=10-100 А/мм² и скважности 10-20.A method for electroplastic forming of parts made of titanium alloys, including the application of a mechanical load and a pulsed electric current to the workpiece, characterized in that the mechanical load on the workpiece is created by a press at a deformation temperature not exceeding 350 ° C, using a punch and a matrix electrically isolated from the press, and the pulsed current is supplied to the punch and the matrix with a frequency F=100-1000 Hz, a pulse duration τ=100-1000 μs, at an amplitude current density j=10-100 A/mm ² and a duty cycle of 10-20.