ТЕРМОПРЕСС
THERMAL PRESS

Предлагаемое изобретение относится к области высоких и сверхвысоких давлений и может быть использовано при проектировании новых малогабаритных прессов, простых по конструкции, с практически неограниченными возможностями по созданию усилия прессования (лимитируемыми только прочностью деталей конструкции), используемых для деформации материалов при изготовлении деталей, синтеза новых материалов, кристаллов, и т.д.
В настоящее время для создания высоких и сверхвысоких давлений применяются пресса различных типов: гидравлические, механические (кривошипные, винтовые, фрикционные), гидромеханические (см. БСЭ).
Недостатками данных типов прессов являются большие габариты, металлоемкость, сложность конструкции, необходимость в сложных прецизионных деталях.
К примеру, для гидравлических прессов больших давлений необходимы мощные насосы, гидроцилиндры и гидростанции, трубопроводы высоких давлений, уплотнения подвижных частей, высокая точность обработки деталей.
Известны пресса, работа которых основана на принципе теплового расширения силовых элементов, например, пресс по [1], который состоит из двух плит и соединяющих их длинных колонок, нижние концы которых шарнирно крепятся к нижней плите, а верхние проходят сквозь прорези верхней плиты, причем на них нарезана резьба и навернуты гайки. Поочередно нагревая и охлаждая колонки, можно все время подтягивать гайки, таким образом сдвигая плиты и сдавливая находящуюся между ними заготовку.
Наиболее близким техническим решением является пресс [2] (прототип), представляющий собой неподвижную нижнюю траверсу и две верхние подвижные плиты, которые соединены между собой вертикальными колонками. Нижние концы колонн заделаны в нижнюю неподвижную плиту, а верхние концы заделаны в две верхние подвижные стальные плиты, помещенные одна над другой, причем колонки заделаны в них поочередно, так, чтобы одна была зажата нижней плитой, а следующая проходила через нее свободно, но была зажата верхней плитой и т.д. в шахматном порядке. Сквозь подвижные плиты по центральной оси пресса пропущен пресс-шток, который можно зажимать в верхних подвижных плитах. Поочередно нагревая и охлаждая колонки и, соответственно, поочередно зажимая пресс-шток в подвижных плитах, перемещают его, производя прессование.
Преимуществом данного пресса является простота устройства: не нужны маслонасосы, цилиндры, трубопроводы высоких давлений, уплотнительные устройства для предотвращения утечки рабочей жидкости в подвижных соединениях.
-6
-1
Однако данной конструкции присущи существенные недостатки, а именно: большая инерционность, необходимость значительных тепловых переходов в циклах «нагрев - охлаждение» силовых элементов. Например, если силовые элементы выполнены из стали, имеющей в среднем коэффициент линейного теплового расширения α порядка 12×10 град, то при длине силового элемента 1 м и тепловом перепаде 100°С изменение его длины составит всего 1,2 мм. Отсюда для обеспечения быстродействия (больших тепловых деформаций силовых элементов) необходимо увеличивать их длину и тепловой перепад цикла «нагрев - охлаждение» силовых элементов, что, в конечном итоге, увеличивает габариты термопресса, его энергоемкость и при нагреве более 100°С повышает опасность проведения процесса.
Задачей изобретения является разработка конструкции пресса, развивающего большие усилия, принцип действия которого основан на тепловой деформации силовых элементов, но с большим быстродействием и малыми тепловыми перепадами циклов «нагрев - охлаждение» силовых элементов, обеспечивающими безопасность проведения процесса.
2
Указанная задача решается за счет того, что в известной конструкции пресса, включающей нижнюю неподвижную плиту и одну или две верхние подвижные плиты, соединенные вертикальными колонками, выполняющие роль силовых элементов, пресс-шток, устройство подачи теплоносителя и хладоагента, в подвижных плитах расположены втулки, последние с колонками имеют каналы для ввода и вывода теплоносителя и хладоагента, причем колонки и втулки выполнены из материла, обладающего эффектом памяти формы, например, из никелида титана, который меняет свои размеры при незначительном изменении температуры на 10-15%. Температурный интервал изменения формы (размеров) составляет всего несколько десятков градусов (порядка 27-30°С), причем при изменении формы изделие из этого материала развивает усилия в 30-60 кг/мм. На пресс-штоке и внутренней поверхности втулок выполнены одинаковые кольцевые канавки и выступы.
Колонки и втулки подвижных плит пресса термомеханически обработаны таким образом, что изменение их формы происходит в диапазоне безопасных для человека температур 30-60°С, причем при нагреве до 60°С колонки удлиняются на 10-15%, а внутренний диаметр отверстия втулок подвижных плит, охватывающих подвижный шток пресса при нагреве, также увеличивается на 10-15%. При охлаждении до температуры ниже 30°С происходит обратный процесс.
Предлагаемое устройство с одной или двумя подвижными плитами (оптимальный вариант) представлено на чертеже и включает в себя нижнюю неподвижную плиту 1, подвижный пресс-шток 2, две пары колонок 3 и 4, которые выполняют роль силовых элементов, подвижные плиты 5 и 6, жестко связанные соответственно с колонками 3 и 4, в плитах 5 и 6 размещены соответственно втулки 7 и 8, регулируемую подставку 9 и устройство 10 для подачи теплоносителя и хладагента, например, горячую и холодную воду или др. Колонки 3 и 4 и втулки 7 и 8 выполнены из материала, обладающего эффектом памяти, например, из никелида титана, в колонках 3 и 4 для ввода теплоносителя или хладагента выполнены соответственно каналы 11 и 12, а во втулках 7 и 8 - соответственно каналы 13 и 14. Причем на пресс-штоке 2 и втулках 7 и 8 выполнены соответствующие друг другу кольцевые канавки 15, в которые входят образованные при этом выступы 16 на пресс-штоке и втулке при охлаждении последней. На подставке 9 располагается прессуемая заготовка 17.
Работа термопресса заключается в следующем:
Из устройства 10 в каналы 13 и 14 втулок 7 и 8 подается теплоноситель; при этом внутренний диаметр втулок 7 и 8 увеличивается и последние своими выступами 16 и канавками 15 выходят из зацепления со штоком 2, далее в каналы 11 и 12 колонок 3 и 4 подается теплоноситель, при этом колонки 3 и 4 удлиняются (без пресс-штока). Далее к пресс-штоку 2 подводится регулируемой подставкой 9 заготовка 17. После этого начинается процесс прессования. В каналы 13 втулок 7 подается хладагент, при этом внутренний диаметр втулок 7 уменьшается и она своими выступами 16 и канавками 15 входит в зацепление с соответствующими канавками 15 и выступами 16 на пресс-штоке. Далее через каналы 11 подается хладагент в колонки 3, последние, охлаждаясь, укорачиваются, перемещая за собой вниз подвижную плиту 5 с втулкой 7 и, соответственно, двигая пресс-шток 2 вниз, производят прессование заготовки 17. После прессования во втулку 7 через каналы 13 вновь подается теплоноситель и после нагрева втулка выходит из зацепления с пресс-штоком и после этого в колонку 3 по каналам 11 подается теплоноситель и подвижная плита 5 с втулкой 7 поднимается вверх. Одновременно в каналы 14 втулки 8 подается хладоагент, вводя ее в зацепление с пресс-штоком, после этого хладагент через каналы 12 подается в колонки 4, которые, охлаждаясь, укорачиваются и перемещают пресс-шток 2 вниз за счет зацепления его с втулкой 8 подвижной плиты 6, производя прессование заготовки 17. Далее во втулку 8 вводится теплоноситель, освобождая его от зацепления с пресс-штоком, после чего теплоноситель вводится в колонки 4, которые перемещают подвижную плиту 6 вверх.
И так циклы повторяются и пресс-шток «шажками» перемещается и подпрессовывает заготовку до нужного размера.
2
Преимущества такого пресса - это безопасность (максимальный интервал температур 30-60°С), быстрота действия, т.е. скоротечность процесса прессования, и создание больших усилий прессования (от 30 до 60 кг/мм).
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент США №3287486
2. Авт. св. СССР 264900 (прототип).