УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ПРОКАТКИ И ПРЕССОВАНИЯ

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением и может быть использована для получения длинномерных профилей с относительно небольшим поперечным сечением преимущественно из алюминиевых сплавов методом непрерывной прокатки и прессования.
Известно устройство прямого полунепрерывного прессования профилей, включающее горизонтальный гидравлический пресс, с водоохлаждаемой матрицей, датчики температуры нагрева заготовки и контейнера, датчик контроля температуры пресс-изделия выходящего из канала матрицы, датчик перемещения прессующей траверсы, датчик давления в рабочем цилиндре пресса, дефектоскоп, расположенный перед зеркалом матрицы таким образом, что прессуемый профиль проходит через его детекторы, управляющую ЭВМ, содержащую блок реологии (Патент RU №71570, МПК В21С 22/08. Устройство для прямого прессования профилей / С.В.Беляев, С.Б.Сидельников, И.Н.Довженко и др. (РФ) - з. №2007142066/22; заявл. 13.11.07; опубл. 20.03.2008, Бюл. №8).
Данное устройство позволяет достигать заданной температуры пресс-изделия и изотермических условий протекания процесса за счет изменения скорости прессования и интенсивности охлаждения прессового инструмента в ходе процесса прессования. Управляющая ЭВМ данного устройства содержит математическую модель, позволяющая прогнозировать изменение температуры пресс-изделия в зависимости от технологических и конструктивных параметров процесса прессования в ходе процесса, что обеспечивает повышение производительности полунепрерывного прессования и повышение качества получаемых пресс-изделий за счет достижения максимальной возможной скорости прессования при заданной выходной температуре профиля, однако не может быть использовано для получения длинномерных профилей с относительно небольшим поперечным сечением преимущественно из цветных металлов и сплавов методом непрерывной прокатки и прессования.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков, по технической сущности и достигаемому результату является устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования профилей (Пат. №2335376 RU, МПК B21D 11/06, В21С 23/00. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования профилей / С.В.Беляев, Н.Н.Довженко, С.Б.Сидельников и др. (РФ) - №2006142973/02; заявл. 04.12.06; опубл. 10.10.2008, Бюл. №28), включающее печь-миксер, валок с ручьем и валок с выступом, имеющие охлаждаемые полости и образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена матрица, на наружной поверхности которой, находящейся в контакте с валками, выполнены охлаждаемые каналы. Кроме того, матрица снабжена каналами для подвода хладагента к профилю на выходе из канала матрицы, а валки снабжены индукторами для их нагрева, расположенные по разные стороны от валков.
Данное устройство может быть использовано для получения длинномерных профилей с относительно небольшим поперечным сечением преимущественно из цветных металлов и сплавов методом непрерывной прокатки и прессования и позволяет оперативно регулировать тепловыми условиями деформирования за счет отвода тепла непосредственно из очага деформации, и при этом происходит одновременное охлаждение, как матрицы, так и валков. Однако в данном устройстве отсутствует управляющая ЭВМ, обеспечивающая достижение стабильных тепловых условий непрерывного процесса деформирования, особенно выходной температуры профиля, и тем самым получение качественных изделий, за счет управления тепловыми условиями во время работы с помощью математической модели и датчиков контроля температуры пресс-изделия выходящего из канала матрицы. Кроме того во время работы данного устройства образуется заусенец, имеющий, как правило, неравномерную толщину на поверхности валков, что нарушает стабильные условия непрерывного процесса деформирования, вызывает перекос матрицы и отклонение размеров и формы профиля, т.е. ухудшает качество изделий. Для устранения заусенца проводят зачистку поверхности валков, которая достаточно трудоемка, ее не всегда удается выполнить в рабочем режиме, поэтому приходится останавливать устройство и проводить перевалку валков, что отрицательно сказывается на производительности. Кроме того, образование заусенца снижает выход годного.
Основной задачей полезной модели является повышение производительности непрерывной прокатки и прессования и повышение качества получаемых профилей.
Для достижения поставленной задачи устройство для непрерывной прокатки и прессования, включающее валок с ручьем и валок с выступом, снабженные индукторами для их нагрева и образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена охлаждаемая матрица, дополнительно снабжено управляющей ЭВМ, выходы которой соединены с устройством для нагрева заготовки, датчиками контроля нагрева температуры заготовки и валков, индукторами для нагрева валков, датчиками скорости вращения валков, датчиком контроля температуры профиля, выходящего из канала матрицы, прижимным устройством матрицы, устройством для охлаждения матрицы и валков, дефектоскопом, расположенным за матрицей таким образом, что прессуемый профиль проходит через его детекторы. Кроме того, прижимное устройство матрицы выполнено из рабочих цилиндров, снабженных регуляторами и датчиками давления, расположенных по обе стороны профиля.
Конструктивные особенности заявляемой установки по сравнению с прототипом, характеризующиеся отличительными признаками, позволяют повысить производительность непрерывной прокатки и прессования и качество получаемых профилей.
Управляющая ЭВМ с помощью блоков коммуникаций, корреляции, математической модели объекта и модели принятия решений, исполнительных органов и датчиков контроля текущих технологических параметров процесса непрерывной прокатки и прессования (температуры нагрева заготовки и валков, изменения выходной температуры профиля, скорости вращения валков, давления прижима матрицы) обеспечивает достижение стабильных тепловых условий непрерывного процесса деформирования, особенно выходной температуры профиля, и этим самым получение качественных изделий за счет корректирования при отклонении текущих технологических параметров от заданных с помощью устройств нагрева заготовки, охлаждения матрицы и скоростью вращения валков.
Дефектоскоп сканирует профиль, выходящий из канала матрицы, и в случае возникновения микротрещин или других дефектов в профиле подает сигнал об их возникновении в управляющую ЭВМ, тем самым позволяя точно зафиксировать момент возникновения дефектов в профиле.
В случае возникновения заусенцев на поверхности валков оператор установки увеличивает давление в том рабочем цилиндре, который прижимает часть матрицы к тому валку, на поверхности которого толщина заусенца больше. Создавая различное давление на рабочую поверхность матрицы, можно таким образом изменять ее угол наклона в горизонтальной плоскости и управлять не только процессом образования заусенца на валках, но и картиной истечения прессуемого профиля на выходе из канала матрицы, сводя до минимума появляющиеся дефекты геометрии профиля во время непрерывного выдавливания.
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует следующая причинно-следственная связь. Выполнение устройства для непрерывной прокатки и прессования, имеющей указанную выше совокупность, позволяет повысить производительность непрерывной прокатки и прессования и качество получаемых профилей.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами.
На фиг. показана схема автоматизации установки. Заявляемое устройство для непрерывной прокатки и прессования включает: валок с ручьем 1 и валок с выступом 2, снабженные индукторами 3 для их нагрева и образующие рабочий калибр, на выходе из которого установлена охлаждаемая матрица 4, управляющая ЭВМ 5, содержащая блоки интерфейса, коммуникаций, корреляции, математической модели объекта и модели принятия решений, исполнительные органы (на фиг. не показаны), и взаимосвязанной с устройством для нагрева 6 заготовки, датчиком контроля температуры 7 заготовки датчиками контроля температуры 8 валков 1 и 2, датчиком скорости вращения 9 валков 1 и 2, датчиком контроля температуры 10 профиля, выходящего из канала матрицы 4, прижимным устройством 11 матрицы 4, устройством для охлаждения 12 матрицы и валков, дефектоскопом 13, расположенным за охлаждаемой матрицей 4 таким образом, что прессуемый профиль 14 проходит через его детекторы. Кроме того, прижимное устройство 11 матрицы выполнено из рабочих цилиндров снабженных регуляторами и датчиками давления 15, расположенных по обе стороны профиля.
i
0
В
М
В
М
Устройство работает следующим образом. Перед началом изготовления нового профиля 14 оператором установки в управляющую ЭВМ 5 вводиться массив технологических параметров процесса X. На основе «критической» температуры профиля 14, заданной выходной температуры профиля 14, выходящего из канала охлаждаемой матрицы 4 для заданных условий деформирования: вытяжки при выдавливании профиля 14 через канал матрицы 4, температуры нагрева длинномерной заготовки 16, температуры нагрева валков 1 и 2 и скорости подачи хладагента q в охлаждаемые каналы матрицы 4 управляющая ЭВМ 5 с помощью математической модели объекта вычисляет максимально допустимую скорость вращения ω валков 1 и 2 и давление прижима Р матрицы 4 к валкам 1 и 2. Значения данных параметров ω и Р передаются в блок интерфейса управляющей ЭВМ 5, который отображает их на экране пульта оператора. Оператор, используя данные управляющей ЭВМ 5, устанавливает данные параметры и включает установку.
В
М
М1
М2
0
После начала вращения валков 1 и 2 со скоростью ω включают индукторы 3 для их нагрева, температура нагрева которых отслеживается датчиками контроля 8 нагрева температуры валков 1 и 2. Далее передняя часть длинномерной заготовки 16 задается в устройство (печь) 6 для нагрева заготовки 16, температура нагрева которой фиксируется датчиком контроля 7 температуры заготовки 16. При достижении заданных температур нагрева валков 1 и 2, индукторы 3 отключаются, а нагретая передняя часть длинномерной заготовки 16 подается в валки 1 и 2. В этот момент времени к валкам 1 и 2 подводится охлаждаемая матрица 4, которая прижимается к валкам 1 и 2 с помощью прижимного устройства 11 матрицы 4 с давлением, одинаковым в каждом рабочем цилиндре и равным P=P=P, и включается устройство для охлаждения 12 матрицы, обеспечивая подачу хладагента в охлаждаемые каналы матрицы 4 со скоростью q. Длинномерная заготовка 16 захватывается валками 1 и 2, и начинается ее выдавливание с помощью активных сил трения со стороны валков 1 и 2 через каналы охлаждаемой матрицы 4.
В ходе прессования профиля 14 показания датчиков температуры нагрева заготовки 16, валков 1 и 2, выходной температуры профиля 14, скоростей валков 1 и 2, давления в каждом рабочем цилиндре 15 непрерывно в режиме реального времени передаются в управляющую ЭВМ 5. Дефектоскоп 13 непрерывно сканирует выходящий профиль 14 и при возникновении дефектов посылает сигнал в управляющую ЭВМ 5. Данные сигналы поступают в блок корреляции управляющей ЭВМ 5, где сравниваются с заданными значениями данных параметров, величина расхождения которых передается в блок модели принятия решений управляющей ЭВМ 5, где в случае существенного расхождения вырабатываются управляющие команды через блок коммуникаций управляющей ЭВМ 5 на соответствующие исполнительные органы установки для:
В
В
- уменьшения скорости вращения ω валков 1 и 2 при повышенной выходной температуры профиля 14 и, наоборот - увеличения скорости вращения ω валков 1 и 2 при заниженной выходной температуры профиля 14;
В
- снижения скорости вращения ω валков 1 и 2 на первом этапе до 10% при появлении дефектов в профиле 14, а в дальнейшем, если дефекты остаются - до полной остановки установки;
0
0
- увеличения скорости подачи хладагента q в охлаждаемые каналы матрицы 4 при повышенной температуры валков 1 и 2, и наоборот - снижения скорости подачи хладагента q в охлаждаемые каналы матрицы 4 при заниженной температуры валков 1 и 2;
- поддержания постоянного давления в рабочих цилиндрах 15 прижимного устройства матрицы 4.
При появлении заусенца на поверхности какого-либо валков 1 или 2 оператор установки увеличивает давление в том рабочем цилиндре 15, который прижимает часть матрицы к тому валку, на поверхности которого толщина заусенца больше.
1
2
K
1
M
Пример. С помощью лабораторной установки на базе прокатного стана ДУО 200 провели непрерывную прокатку и прессование прутка диаметром 8,0 мм из сплава алюминия марки АД31. Валки радиусами R=110 мм и R=80 мм образовывали рабочий закрытый ящичный калибр прямоугольного сечения шириной b=20 мм с высотой обжатия h=10 мм, на выходе из которого была установлена охлаждаемая матрица высотой рабочей плоскости матрицы h=22 мм, что обеспечивало вытяжку при выдавливании прутка λ=8,1. Лабораторную установку оснастили управляющей ЭВМ, содержащей блоки интерфейса, коммуникаций, корреляции, математической модели объекта и модели принятия решений, исполнительными органами, а также устройством (индуктором) для нагрева заготовки, датчиками контроля (пирометрами) температуры заготовки и валков, датчиками скорости вращения валков, датчиком контроля (пирометром) температуры профиля, выходящего из канала матрицы; прижимным устройством матрицы, устройством для охлаждения матрицы, дефектоскопом, расположенным за охлаждаемой матрицей таким образом, что прессуемый профиль проходил через его детекторы. Кроме того, прижимное устройство матрицы имело два рабочих цилиндра с регуляторами и датчиками давления.
i
0
0
0
В
M
В
M
-1
Вначале изготовления прутка в управляющую ЭВМ ввели массив технологических параметров процесса X.. Исходная заготовка имела сечение размерами h·b=20×20 мм. На основе «критической» температуры прутка из сплава АД31, равной 580°С, заданной выходной температуры прутка, выходящей из канала охлаждаемой матрицы и равной 560°С, вытяжки при выдавливании прутка через канал матрицы, равной λ=8,1, температуры нагрева длинномерной заготовки, равной 480°С, температуры нагрева валков, равной 200°С и скорости подачи хладагента (воды) q=0,5 м/с в охлаждаемые каналы матрицы определили на управляющей ЭВМ с помощью математической модели объекта максимально допустимую скорость вращения валков ω=0,42 с и давление прижима матрицы к валкам Р=110 МПа. Значения данных параметров ω и Р передавались в блок интерфейса управляющей ЭВМ и отображались на экране пульта оператора. Данные параметры были установлены перед включением установки.
В
0
После начала вращения валков с заданной скоростью ω включали индукторы для их нагрева, температура нагрева которых отслеживалась датчиками контроля нагрева температуры валков. Далее переднюю часть длинномерной заготовки нагревали в устройстве (печь) для нагрева заготовки, температура нагрева которой фиксировалась датчиком контроля температуры заготовки. При достижении заданных температур нагрева валков, индукторы отключали, а нагретую переднюю часть длинномерной заготовки подавали в валки. В этот момент времени к валкам подводили охлаждаемую матрицу, которая прижималась к валкам с заданным давлением, одинаковым в каждом рабочем цилиндре, и включалось устройство для охлаждения матрицы, обеспечивая подачу хладагента в охлаждаемые каналы матрицы с заданной скоростью q. Длинномерная заготовка захватывалась валками, и начиналось ее выдавливание через канал охлаждаемой матрицы.
M2
В ходе прессования прутка показания датчиков температуры нагрева заготовки, валков, выходной температуры профиля, скоростей валков, давления в каждом рабочем цилиндре непрерывно в режиме реального времени передавались в управляющую ЭВМ. Дефектоскоп непрерывно сканировал выходящий пруток. Данные сигналы поступали в блок корреляции управляющей ЭВМ, где сравнивались с заданными значениями данных параметров, и величина расхождения которых передавалась далее в блок модели принятия решений управляющей ЭВМ. Опытное прессование проводили в течение 20 минут. При этом периодически происходило включение устройства для охлаждения матрицы при повышении температуры инструмента, а также наблюдалось изменение скорости вращения валков для обеспечения заданной постоянной выходной температуры прутка. Все это происходило в автоматическом режиме с помощью управляющих команд через блок коммуникаций управляющей ЭВМ на соответствующие исполнительные органы установки. Вначале прессования образовался заусенец на валке с вырезом, который удалось устранить, увеличив давление в соответствующем рабочем цилиндре прижимного устройства матрицы к валкам на ΔP=20 МПа, и добиться равномерного покрытие рабочей поверхности на обоих валков пленкой алюминия толщиной не более 0,2 мм, что является неизбежным при горячей деформации алюминия без смазки. В дальнейшем процесс непрерывной прокатки и прессования происходил стабильно, с постоянной выходной температурой профиля, и по показаниям дефектоскопа - без появления дефектов или брака.
Для сравнения заявляемой установки с прототипом после отладки процесса непрерывной прокатки и прессования профиля в автоматическом режиме во время работы установки проводили отключение управляющей ЭВМ с фиксированием на дисплее технологических параметров деформирования непрерывно в режиме реального времени с помощью соответствующих датчиков. Оператору установки в ручном режиме не удалось добиться стабильного протекания процесса непрерывной прокатки и прессования профиля, что привело по показаниям дефектоскопа к образованию дефектов в профиле - микротрещин на поверхности прутка. После повторного включения управляющей ЭВМ работу установки снова удалось стабилизировать и устранить появление дефектов в профиле.
Таким образом, применение заявляемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить производительность прессования и прессования и качество получаемых профилей.