УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЯМОГО ПРЕССОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением и может быть использована для получения профилей, преимущественно из медных, магниевых и алюминиевых сплавов методом прямого прессования.
Известно устройство для прямого прессования профилей (Готлиб Б.М., Добычин И.А., Баранчиков В.М. Основы статистической теории обработки металлов давлением (Методы решения технологических задач.). - М.: Металлургия, 1980. - 168 с.), включающее гидравлический пресс, содержащий управляющую ЭВМ, связанную с датчиками и регуляторами температур нагрева заготовки и прессового инструмента, скорости прессования, давления в главном цилиндре пресса; датчиками текущего положения прессштемпеля и выходной температуры профиля.
Данное устройство позволяет достигать постоянной выходной температуры профиля на выходе из канала матрицы (изотермических условий протекания процесса прессования) за счет ступенчатого уменьшения скорости прессования во время выдавливания профиля.
Однако регулирование выходной температуры профиля путем изменения скорости прессования возможно только в том случае, если скорость истечения не превышает 1,5 м/мин. При более высоких скоростях истечения даже резкое изменение скорости истечения на 1 м/мин не сопровождается изменением выходной температуры профиля (Миронов О.С., Сенин Л.И. Закалка профилей из сплава Д16 в процессе прессования. // Вопросы авиационной науки и техники: Сер. Технология легких сплавов. - 1986, №6. - С.30-32.). Кроме того, ступенчатое уменьшение скорости прессования во время выдавливания профиля отрицательно сказывается на производительности процесса прессования и на качестве профиля - возможно появления пережимов по длине профиля, снижается точность размеров, появляются отклонения в геометрии профилей.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков, по технической сущности и достигаемому результату является устройство для прямого прессования профилей (В.Л.Бережной, А.Сала. Рациональная система изотермического прессования профилей из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. - 2006 г., №1-2. - с.190-197), включающее гидравлический пресс, содержащий управляющую ЭВМ, связанную с датчиками и регуляторами температур нагрева заготовки и прессового инструмента, скорости прессования, давления в главном цилиндре пресса, датчиками текущего положения прессштемпеля и выходной температуры профиля; регулятором охлаждения прессового инструмента.
Данное устройство обеспечивает достижение изотермических условий протекания процесса прессования при постоянной скорости прессования за счет градиентного нагрева заготовок перед прессованием и принудительного охлаждения прессового инструмента. Однако в данном устройстве сопротивление деформации прессуемого металла задается в управляющую ЭВМ на основе статистических справочных данных и не совпадает с реальным значением сопротивления деформации прессуемого металла, что требует проведения дополнительной коррекции технологических параметров процесса прессования для достижения изотермических условий и приводит к снижению производительности процесса прессования и качества профилей. Кроме того, при выборе и расчете предельных значений скорости прессования и выходной температуры профиля необходимо контролировать качество получаемого профиля во время прессования, а это невозможно без дефектоскопа.
Основной задачей полезной модели является повышение производительности прямого прессования и качества профилей за счет оперативного определения сопротивления деформации прессуемого металла и контроля качества профиля дефектоскопом на выходе из канала матрицы во время прессования.
Для достижения поставленной задачи устройство для прямого прессования профилей, включающее гидравлический пресс, содержащий управляющую ЭВМ, связанную с датчиками и регуляторами температур нагрева заготовки и прессового инструмента, скорости прессования, давления в главном цилиндре пресса; датчиками текущего положения прессштемпеля и выходной температуры профиля; регулятором охлаждения прессового инструмента; управляющая ЭВМ дополнительно снабжена блоком определение реологии прессуемого металла, регистрирующим изменение давления в главном цилиндре пресса в зависимости от текущего положения пресс-штемпеля и рассчитывающим сопротивление деформации прессуемого металла, и связана с дефектоскопом, фиксирующем дефекты профиля на выходе из канала матрицы.
Конструктивные особенности заявляемого устройства по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, позволяют повысить производительность прямого прессования и качество профилей.
По отношению к прототипу у предлагаемого устройства имеются следующие отличительные признаки: управляющая ЭВМ снабжена блоком определения реологии прессуемого металла, регистрирующим изменение давления в главном цилиндре пресса в зависимости от текущего положения пресс-штемпеля и рассчитывающим сопротивление деформации прессуемого металла, и связана с дефектоскопом, фикисирующим профиля на выходе из канала матрицы.
На основе показаний сигналов поступающих в блок определния реологии с датчиков, регистрирующих изменение давления в главном цилиндре пресса в зависимости от текущего положения прессштемпеля, строится соответствующая диаграмма, показанная на рис.1.
max
Р - максимальное усилие прессования;
min
P - минимальное усилие прессования;
х
Р - текущее усилие прессования;
x
max
L - текущая длина слитка; L - длина распрессованного слитка.
Применяя теоретически обоснованную формулу И.Л. Перлина для расчета усилия прессования (Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 448 с.), можно найти напряжение трения на поверхности контейнера
к
max
x
где π=3,14; D - диаметр контейнера; ΔL=L-L.
Учитывая то, что напряжение трения при прессовании подчиняется закону Зибеля
то есть прямо пропорционально сопротивлению деформации, а коэффициент
кр
пропорциональности соответствует коэффициенту трения μ, то можно определить сопротивление деформации:
Таким образом, получают значения сопротивления деформации прессуемого металла во время прессования, которые непрерывно поступают в управляющую ЭВМ.
Управляющая ЭВМ устройства снабжена следующими аналитическими моделями:
1. Реологическая модель, т.е., в зависимость сопротивления деформации от химического состава прессуемого металла, степени деформации ε, скорости деформации ###U941 и температуры прессования t:
где С, n, m k - реологические коэффициенты, учитывающие химический состав прессуемого металла, деформационное и скоростное упрочнение, температуру прессования, которые определяются с использованием рекомендаций работы (Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов: Справочник. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.).
При этом
з
пp
где λ - вытяжка; F и F - площади поперечного сечения заготовки и профиля. Скорость деформации рассчитывают по формуле
пp
k
где V - скорость перемещения прессштемпеля; D и d - диаметры контейнера и иглы (при ее отсутствии d=0).
2. Модель изменения усилия прессования и выходной температуры в зависимости от основных технологических параметров прессования.
3. Модель определения оптимальной скорости прессования, обеспечивающей максимальную производительность процесса и приемлемое качество профиля.
Вторая и третья модель приведены подробно в работе Н.Н.Довженко (Довженко Н.Н. Развитие теории и совершенствование процессов прессования и волочения, инженерных методов проектирования и прогнозирования с целью улучшения качества продукции. Автореферат на соискание ученой степени д.т.н.. - М.: МИСиС, 2002. - 46 с.).
С помощью данных математических моделей уточняется зависимость сопротивления деформации прессуемого металла (4), выходной температуры профиля и оптимальной скорости прессования, происходит корректировка данных величин с помощью значений датчиков выходной температуры профиля и дефектоскопа. Причем, это осуществляется во время первой прессовки профиля из данного сплава, что позволяет значительно снизить потери при настройке процесса прессования на максимально-возможную производительность и требуемое качество пресс-изделий.
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует причинно-следственная связь. Выполнение устройства для прямого прессования профилей, имеющего указанную выше совокупность отличительных признаков, позволяет повысить производительность прессования и качество профилей.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом.
На фиг.1 показана блок-схема устройства для прямого прессования профилей.
Устройство для прямого прессования профилей включает гидравлический пресс 1, содержащий управляющую ЭВМ 2, связанную с датчиками и регуляторами температур нагрева заготовки (ДРТЗ) 3 и прессового инструмента (ДРТК) 4, скорости прессования (ДРУ) 5, датчиком выходной температуры профиля (ДТПр) 6; регулятором охлаждения прессового инструмента (ДРХ) 7 и с дефектоскопом профиля (ДТ) 8 на выходе из канала матрицы. Управляющая ЭВМ 2 снабжена блоком реологии прессуемого металла 9, который связан с датчиками давления в главном цилиндре пресса (ДУП) 10 и текущего положения пресс-штемпеля (ДПП) 11.
Устройство работает следующим образом. Перед началом прессования нового профиля в управляющую ЭВМ 2 вводится исходный массив следующих технологических параметров:
- код сплава;
- шифр профиля;
- номер матрицы;
- температура нагрева заготовки или вид ее градиентного нагрева;
- температура нагрева прессового инструмента и режим его принудительного охлаждения;
- выходная температура профиля.
пред
Далее управляющая ЭВМ 2 на основе статистических данных ранее отпрессованных профилей вычисляет предельную скорость прессования V для данного профиля.
Алгоритм решения данной задачи представлен в работе (Беляев С.В. "Разработка, исследование и внедрение процесса прессования алюминиевых сплавов из принудительно охлаждаемого инструмента". Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. - Минск, БГПИ, 1992. - 18 с.).
Для количественного решения данной задачи необходимо представить изменение максимально-возможной скорости прессования в виде графической зависимости от температуры нагрева заготовки (рис.2). Тогда на данной диаграмме будет два семейства граничных кривых: левое - ограничение по усилию пресса, а правое - ограничение по свойствам, выше которого происходит разрушение пресс-изделия. Оптимальная температура нагрева заготовки, обеспечивающая максимально-возможную скорость прессования будет находиться на пересечении данных кривых. С помощью данной диаграммы можно также найти оптимальную скорость прессования для заданных температур нагрева заготовки и контейнера.
1
2
ΔТ, ΔТ - уменьшение выходной температуры профиля на выходе из канала матрицы за счет принудительного охлаждения;
з
_
1
1
опт
t  - температура нагрева заготовки, обеспечивающая достижение максимально-возможной скорости прессования для Р и ΔТ.
s
Предельная кривая по усилию прессования может быть построена, если заданы мощность пресса, технологические параметры процесса прессования и известна зависимость для определения сопротивления деформации металла σ=σ(ε, ###U941, t)
0
Тогда предельная скорость прессования, ограниченная номинальным усилием пресса Р, будет равна
s
v
m
где с(ε, t)*(сV) - преобразованное выражение (4);
v
d
d
k
пp
d
0
пр
пр
пp
s
с=ε/h; h≈0,32(D-d); h - высота очага деформации; Р - номинальное усилие пресса; С - коэффициент для формулы расчета полного усилия прессования Р=cσ.
Предельная кривая, обусловленная разрушением пресс-изделия, с достаточной точностью линейно зависит от температуры заготовки. Для ее определения достаточно знать две точки, которые находятся из уравнения
выходной температуры пресс-изделия. Предельную скорость прессования определяют для конкретных температур нагрева заготовки, приравнивая выходную температуру равной «критической». Значения выходной «критической» температуры профиля для каждого сплава имеет вполне конкретное значение или задается технологическим регламентом для получения пресс-изделий с заданным качеством.
При построении «предельной» кривой по температуре используют уравнение прямой, проходящей через две точки (A (t1, v1), В (t2, v2), рис.2:
Точка пересечения С данных предельных кривых имеет координаты максимально-возможной скорости прессования.
пp
Данное значение предельной скорости прессования отображается на мониторе пульта управления гидравлическим прессом 1. Исходя из предельной скорости прессования, оператор устанавливает скорость прессования V.
заг
конт
S
треб
треб
R
Управляющая ЭВМ 2 с помощью датчиков и регуляторов температур нагрева заготовки (ДРТЗ) 3 и прессового инструмента (ДРТК) 4 обеспечивает нагрев до требуемых температур Т , Т , после достижения, которых нагретая заготовка подается к гидравлическому прессу 1, включается регулятор принудительного охлаждения прессового инструмента (ДРХ) 7, и начинается прессование. В ходе прессования сигналы с датчиков давления р в главном цилиндре пресса (ДУП) 10 и текущего положения пресс-штемпеля x(t) (ДПП) 11 поступают в блок реологии 9 прессуемого металла, в котором вычисляется текущее сопротивление деформации прессуемого металла σ .
S
S
S
T
R
T
Данное значение во время прессования в режиме реального времени непрерывно передается в управляющую ЭВМ 2, где сравнивается со значением сопротивления деформации σ , рассчитанным в математической модели по зависимости (4). В случае расхождения значений σ  и σ  корректируются реологические коэффициенты С, n, m k в зависимости (4)
чтобы полностью устранить расхождение, а затем уточняется оптимальная скорость прессования, значение которой передается в блок интерфейса и отображается на мониторе пульта управления гидравлическим прессом 1.
Это значение скорости прессования может устанавливаться оператором пресса вручную или вводиться автоматически по ходу процесса прессования.
пр
пр
охл
Далее происходит корректировка скорости прессования по выходной температуре профиля на выходе из канала матрицы. Сигнал с датчика выходной температуры профиля θ (ДТПр) 6 во время прессования непрерывно в режиме реального времени передается в управляющую ЭВМ 2 и сравнивается с температурой профиля, рассчитанной в математической модели. Величина расхождения температур пресс-изделия передается в модель принятия решений, где в случае существенного расхождения вырабатывается управляющие воздействие для изменения скорости прессования ΔV или режима принудительного охлаждения Δθ прессового инструмента, чтобы полностью устранить это расхождение.
Во время прессования дефектоскоп 8 непрерывно сканирует выходящие пресс-изделие и при возникновении дефектов посылает сигнал о возникновении дефектов Δρ в управляющую ЭВМ.
Аналогично происходит корректировка скорости прессования при работе дефектоскопа профиля 8 на выходе из канала матрицы.
Пример. На горизонтальном гидравлическом прутково-профильном прессе усилием 25 МН проводили прессование строительного профиля (шифр КП 45302-1) с вытяжкой λ=58,5 из сплава АД 31. Температура нагрева контейнера составляла 430°С, а заготовки - 480°С. Для получения профиля требуемого качества и обеспечения закалки на столе пресса выходная температура принималась равной 570°С. Оптимальная скорость прессования для данных параметров было равна 7,0 мм/с.
Прессование проводили с использованием заявляемого устройства. Гидравлический пресс был оснащен управляющей ЭВМ, связанной с датчиками и регуляторами температур нагрева заготовки (ДРТЗ) и
прессового инструмента (ДРТК), скорости прессования (ДРУ), датчиком выходной температуры профиля (ДТПр); регулятором охлаждения прессового инструмента (ДРХ) и с дефектоскопом профиля на выходе из канала матрицы. Управляющая ЭВМ была снабжена блоком реологии прессуемого металла, который был связан с датчиками давления в главном цилиндре пресса (ДУП) и текущего положения прессштемпеля (ДНИ).
При применении прототипа отключали сигналы в управляющую ЭВМ с блока реологии и дефектоскопа. Оператор пресса в этом случае вышел на оптимальную скорость прессования в течение двенадцати прессовок, и одном случае возник брак.
Использование заявляемого устройства позволило оператору пресса выйти на оптимальную скорость прессования в течение одной прессовки.
Во время прессования с использованием прототипа и заявляемого устройства работали разные операторы, но с одной и той же квалификацией.
Таким образом, применение заявляемого устройства по сравнению с прототипом позволяет существенно снизить время настройки процесса прессования на оптимальный режим, то есть повысить производительность прямого прессования в среднем до 8%. Во время настройки оператор пресса эффективно контролирует качество получаемого профиля во время прессования, что снижает вероятность появления брака, и этим самым увеличивается выход годного и качество продукции.
Следует отметить, что для работы с помощью заявляемого устройства оператору пресса требуется лишь небольшой тренинг, чтобы эффективно им пользоваться. В дальнейшем работа прессовщика значительно облегчается, так как заявляемое устройство само предлагает главные параметры прессования, содержит статистический массив данных при изготовлении аналогичной продукции, что позволит увеличить производительность процесса прессования и уровень качества профилей.