УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ С ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ НАГРЕВОМ И АНАЛИЗОМ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к обработке металлов давлением, и может использоваться при горячей штамповке деталей из титановых сплавов.
Известен эффект субкритической сверхпластичности (лист 63-64, Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.), проявляющийся вблизи границы фазового превращения и заключающийся в значительном повышении пластичности сплава без деформационного упрочнения происходящего при деформации, а также в снижении модуля упругости. То есть для повышения эффективности формоизменения необходимо во время деформации поддерживать температуру вблизи температуры фазового превращения. Известен способ обработки псевдо а-титановых сплавов (патент №RU 2241062 С2, 27.11.2004), использующий эффект субкритической сверхпластичности и предусматривающий нагрев заготовки под окончательную штамповку до температуры не ниже, чем на 30°С от температуры полиморфного превращения. Но указанный способ не содержит указаний по определению температуры полиморфного превращения.
Известен способ листовой штамповки с нагревом (патент РФ №RU 2212969 С2, 27.09.2003), предусматривающий электроконтактный нагрев заготовки в штампе перед штамповкой с помощью силового трансформатора.
Ближайшим прототипом предлагаемого устройства является устройство для штамповки деталей с электроконтактным нагревом заготовок (патент РФ №RU 2087240 С1, 20.03.2005), содержащее токоподводящие зажимы для осуществления электроконтактного нагрева. Но указанные способ и устройство не предусматривают устройство для определения режимов нагрева заготовки перед штамповкой, а также устройство контроля и управления процессами нагрева и штамповки.
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего автоматизированную эффективную штамповку титановых сплавов с электроконтактным нагревом и анализом сигналов акустической эмиссии. Предлагаемое устройство содержит гидравлический пресс с электромагнитными клапанами управления его штоком, токоподводящие зажимы, соединенные с силовым трансформатором, тиристорное устройство управления силовым трансформатором, устройство управления электроконтактным нагревом и штоком пресса, закрепляемый на заготовке термостойкий звуковод с датчиком сигналов акустической эмиссии, приемник сигналов акустической эмиссии и систему обработки сигналов акустической эмиссии, осуществляющую контроль активности сигнала акустической эмиссии и выдачу сигнала управления на вход устройства управления электроконтактным нагревом и штоком пресса. 1
На фиг.1 представлено предлагаемое устройство. Заготовка 1 закрепляется между пуансоном 2 и матрицей 3 в токопроводящих зажимах 4. К заготовке с помощью струбцины, клепки, пайки, либо сварки подключается звуковод 5 из сплава, идентичному сплаву заготовки. На холодном конце звуковода устанавливается приемник сигналов акустической эмиссии 6. Электрические сигналы с приемника акустической эмиссии поступают на вход системы обработки сигналов акустической эмиссии 7, осуществляющей контроль активности сигналов акустической эмиссии и выдачу сигнала управления при резком снижении активности акустической эмиссии. Управляющий сигнал с системы 7 поступает на вход устройства устройством управления электроконтактным нагревом и штоком пресса 8. Электроконтактный нагрев заготовки осуществляется электрическим током со вторичной обмотки силового трансформатора 9 через токопроводящие зажимы 4. Коммутация первичной обмотки трансформатора выполняется тиристорным коммутатором 10, управление которым осуществляет устройство управления 8. Устройство управления 8 также управляет электромагнитными клапанами 11 и 12, установленными в гидравлической магистрали главного цилиндра 13, который воздействуя на пуансон выполняет непосредственно штамповку.
Алгоритм работы устройства следующий. Заготовка из титанового сплава закрепляется в токопроводящих зажимах между матрицей и пуансоном пресса без соприкосновения с указанными частями пресса. К заготовке закрепляется звуковод с датчиком сигналов акустической эмиссии. Включается устройство управления и насос пресса. Устройство управления запирает электромагнитные клапаны, удерживая пуансон в верхнем положении. Устройство управления подает отпирающий сигнал па тиристорный коммутатор, коммутатор открывается и подключает первичную обмотку трансформатора к промышленной сети, при этом ток вторичной обмотки, проходя через заготовку, производит электроконтактный нагрев последней. Устройство управления подает сигнал сброса на систему обработки сигналов акустической эмиссии. Система обработки сигналов акустической эмиссии начинает анализировать активность акустической эмиссии. В процессе нагрева приемник сигналов акустической эмиссии производит регистрацию сигналов акустической эмиссии. Электрические сигналы с этого датчика поступают на систему обработки сигналов акустической эмиссии. При приближении температуры заготовки к границе полиморфного превращения происходит снижение активности акустической эмиссии. В этот момент времени система обработки сигналов акустической эмиссии вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на вход устройства управления. После чего устройство управления отключает силовой трансформатор и подает отпирающий сигналы на электромагнитные клапаны управления штоком главного цилиндра. В результате шток главного цилиндра приводится в действие и производится штамповка предварительно нагретой заготовки.
Система обработки сигналов акустической эмиссии состоит из следующих функциональных узлов (см. фиг.2). Приемник сигналов акустической эмиссии 14, не входящий в состав системы, является источником анализируемых сигналов. Эти сигналы усиливаются широкополосным усилителем 15, фильтруются от промышленных помех фильтром верхних частот 16 с граничной частотой 50 кГц. Выпрямитель 17 с фильтром нижних частот 18 образуют амплитудный детектор, выделяющий огибающую сигнала акустической эмиссии. Амплитудный дискриминатор 19 производит фильтрацию сигналов помех с амплитудой ниже порога дискриминации. Усилитель 20 совместно с амплитудным ограничителем 21 образуют цепь формирования сигналов запуска для одновибратора 22. На выходе одновибратора 22 формируются одиночные прямоугольные импульсы положительной полярности одинаковой длительности и амплитуды с частотой, равной частоте регистрируемых сигналов акустической эмиссии. Эти импульсы подвергаются дальнейшей цифровой обработке. Счетчик 23 выполняет расчет длительности паузы между импульсами, которая обратно пропорциональна их частоте. Для этого к счетному входа счетчика подключен генератор импульсов 24 с требуемой частотой, а на вход сброса подаются анализируемые сигналы. При отсутствии сигналов акустической эмиссии счетчик 23 выполняет подсчет импульсов, генерируемых генератором 24. Так как в этом режиме на вход синхронизации буферного регистра 25 через инвертор 26 подается напряжение высокого логического уровня, то сумма импульсов с выхода счетчика 23 «запоминается» буферным регистром 25. На входе компаратора 26 удерживается напряжение низкого логического уровня и на его выходе также установлено напряжение низкого уровня. При поступлении очередного сигнала акустической эмиссии На входе синхронизации буферного регистра 25 устанавливается напряжение низкого логического уровня и он перестает принимать информацию с выхода счетчика 23, запоминая ее последнее значение. Вместе с этим напряжение высокого логического уровня через сумматор 28 подается на вход сброса счетчика 23, обнуляя его. Это напряжение также подается на вход синхронизации компаратора 27, разрешая его работу. Компаратор 27 выполняет сравнение цифрового кода с выхода буферного регистра 25, пропорционального длительности паузы между импульсами акустической эмиссии, с эталонным кодом Do. В случае превышения длительности паузы заданного эталонного значения Do на выходе компаратора вырабатывается напряжение высокою логического уровня, подаваемое на вход устройства управления. Таким образом, снижение активности акустической эмиссии вызывает увеличение длительности паузы между соответствующими импульсами. При превышении длительности паузы граничного значения, соответствующее началу полиморфного превращения, система обработки сигналов акустической эмиссии вырабатывает выходной сигнал высокого логического уровня. Для корректной работы системы необходимо перед началом работы ее сбросить. Эта операция выполняется по сигналу высокого уровня от устройства управления, который через сумматор 28 подается на вход сброса счетчика 23, обнуляя его показания.
П
П
Функциональная схема устройства управления электроконтактным нагревом и штоком пресса представлена на фиг.3. При подаче питания на схему конденсатор С разряжен, поэтому напряжение питания U подается на вход сброса триггера Т и на вход сброса системы обработки сигналов акустической эмиссии. На выходе Q триггера формируется напряжение низкого логического уровня, которое подается на управляющую обмотку электромагнитных клапанов (устройства сопряжения триггера с обмотками электромагнитных клапанов на схеме не показано). В результате клапаны остаются в закрытом положении и шток главного цилиндра остается неподвижным. На инверсном выходе триггера Q устанавливается напряжение высокого уровня, которое подается на тиристорный коммутатор. В результате коммутатор подключается силовой трансформатор к промышленной сети и начинается процесс электроконтактного нагрева. Конденсатор С начинает заряжаться от источника напряжения U через резистор R. Поэтому напряжение на конденсаторе повышается, а напряжение на резисторе R снижается. После заряда конденсатора напряжение на резисторе становится равным нулю. Это напряжение подается на вход сброса триггера и триггер переходит в режим хранения, сохраняя вышеуказанные напряжения на своих выходах. Это же низкое напряжение подается па вход сброса системы обработки сигналов акустической эмиссии, переводя эту систему в рабочий режим. Перед началом полиморфною превращения в заготовке система обработки сигналов акустической эмиссии генерирует соответствующий сигнал, который подается на вход S триггера Т. В результате выходные напряжения триггера изменяются на противоположные: на выходе Q устанавливается напряжение высокого уровня, а на инверсном выходе Q - напряжение низкого уровня. В результате происходит отключение коммутатора и прекращение электроконтактного нагрева, а также открываются электромагнитные клапаны, подключая главный цилиндр к гидравлической магистрали пресса, инициируя таким образом процесс штамповки.
После завершения штамповки устройство управления отключается. Шток пресса переводится в исходное состояние с помощью штатной системы управления прессом.
Техническим результатом является возможность автоматизировать процесс штамповки, исключить «человеческий» фактор, повысить точность нагрева заготовки до требуемой температуры полиморфного превращения, в результате чего более полно использовать эффект субкритической сверхпластичности, повысив тем самым пластичность заготовки и. следовательно, повысив эффективность процесса штамповки труднодеформируемых титановых сплавов, а также расширить номенклатуру штампуемых профилей и толщин заготовок.