ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРЕССОВАНИЯ

Сущность и основные характеристики процесса прессования

Прессованием (экструдированием) называют вид обработки металлов давлением, заключающийся в придании обрабатываемому металлу заданной формы путем выдавливания его из замкнутого объема через один или несколько каналов, выполненных в формообразующем прессовом инструменте.

Это один из наиболее прогрессивных процессов обработки металлов давлением, позволяющий получать длинномерные изделия - прессованные профили, отличающиеся экономичностью и высокой эффективностью при использовании в конструкциях.

Сущность процесса прессования на примере прямого прессования (рис. 5.1) заключается в следующем. Заготовка 1, нагретая до температуры прессования, помещается в контейнер 2. С выходной стороны контейнера в матрице держателе 3 размещена матрица 5, формирующая контур пресс-изделия 4. Через пресс-штемпель 7 и пресс-шайбу 6 на заготовку передается давление от главного цилиндра пресса. Под действием высокого давления металл истекает в рабочий канал матрицы, формирующий заданное изделие.

Широкое использование прессования объясняется благоприятной схемой напряженного состояния деформируемого металла - всесторонним неравномерным сжатием. Выбор температурных условий прессования определяется главным образом величиной сопротивления деформации металла.

Горячее прессование используется значительно чаще, чем холодное. Однако с увеличением производства высокопрочных инструментальных сталей, а также в результате создания мощного специализированного оборудования, область применения холодного прессования расширяется для металлов и сплавов, имеющих невысокое сопротивление деформации. Обычно цикл прессования представляет собой периодически повторяющийся процесс (дискретное прессование), но в настоящее время применяются также способы прессования в полунепрерывном и непрерывном режимах, а также развиваются процессы, основанные на совмещении операций литья, прокатки и прессования.

1 2

Рис. 5.1. Схема прямого прессования сплошного профиля:

  • 1 - заготовка; 2 - контейнер; 3 - матрицедержатель;
  • 4 - пресс-изделие; 5 - матрица; 6 - пресс-шайба;
  • 7 - пресс-штемпель

в

Процесс прессования имеет много разновидностей, отличающихся рядом признаков: наличием или отсутствием перемещения заготовки в контейнере при прессовании; характером действия и направлением сил трения на поверхности заготовки и инструмента; температурными условиями; скоростью и методами приложения внешних сил; формой заготовки и т. п.

Место прессования в производстве длинномерных металлоизделий можно оценить сравнением прессования с конкурирующими процессами, которыми, например, являются горячая сортовая прокатка и прокатка труб.

При таком сравнении преимущества прессования заключаются в следующем. При прокатке на многих участках пластической зоны возникают большие растягивающие напряжения, понижающие пластичность обрабатываемого металла, а при прессовании реализуется схема неравномерного всестороннего сжатия, позволяющая изготавливать за одну операцию различные пресс-изделия, вообще не получаемые прокаткой или получаемые, но за большое число проходов. Область применения прессования особенно расширяется, когда степени деформации за переход превышают 75 %, а коэффициент вытяжки имеет значение более 100.

Прессованием можно получать изделия практически любых форм поперечного сечения, а прокаткой только профили и трубы сравнительно простых конфигураций сечения.

При прессовании проще осуществляется перевод технологического процесса получения одного вида пресс-изделия на другой - достаточно только заменить матрицу.

Пресс-изделия точнее по размерам, чем катаные, что обусловлено замкнутостью калибра матрицы в отличие от незамкнутого калибра, образованного вращающимися валками при прокатке. Точность изделия определяется также качеством изготовления матрицы, ее материалом и видом термообработки.

Высокие степени деформации при прессовании, как правило, обеспечивают высокий уровень свойств изделий.

Прессование в отличие от прокатки можно применять для получения пресс-изделий из малопластичных материалов, полуфабрикатов из порошковых и композиционных материалов, а также плакированных композиционных материалов, состоящих, например, из комбинаций алюминий-медь, алюминий-сталь и др.

Наряду с перечисленными преимуществами дискретное прессование имеет следующие недостатки:

  • • цикличность процесса, которая приводит к снижению производительности и выхода годного металла;
  • • повышение качества пресс-изделий требует для ряда металлов и сплавов низких скоростей прессования и сопровождается большими технологическими отходами в связи с необходимостью оставления больших пресс-остатков и удаления слабодеформированного выходного конца пресс-изделия;
  • • ограниченная длина заготовки, обусловленная прочностью пресс-штемпелей, силовыми возможностями пресса и устойчивостью заготовки при распрессовке, снижает производительность процесса;
  • • неравномерность деформации при прессовании приводит к анизотропии свойств в пресс-изделии;
  • • тяжелые условия эксплуатации прессового инструмента (сочетание высокой температуры, давления и истирающих нагрузок) вызывают необходимость частой замены и использования для его изготовления дорогих легированных сталей.

Сопоставление преимуществ и недостатков процесса позволяет сделать заключение, что наиболее целесообразно применять прессование при производстве труб, сплошных и полых профилей сложной формы с повышенной точностью размеров при обработке труднодеформируемых и малопластичных металлов и сплавов. Кроме того, в отличие от прокатки, оно рентабельно в среднем и в мелкосерийном производстве, а также при реализации способов непрерывной или совмещенной обработки.

Для описания деформации при прессовании используют следующие характеристики.

1. Коэффициент вытяжки А,ср, определяемый как отношение площади поперечного сечения контейнера Рк к площади поперечного сечения всех каналов матрицы I/7,,

(5.1)

При прессовании труб коэффициент вытяжки А.ср определяют по формуле

(5.2)

к -И

К ИГ

Р -Р

м 1 ИГ

где Рш Рк, РИГ - соответственно, площади сечения матрицы, контейнера и иглы-оправки.

  • 2. Коэффициент распрессовки, количественно характеризующий соотношение диаметра заготовки и контейнера:
  • 3. Относительная степень деформациие, связанная с коэффициентом вытяжки и вычисляемая по формуле

є =

М

/

  • (5.4)
  • 4. Скорость прессования ипр (скорость движения пресс-штемпеля):

(5.5)

где АЬ - длина отпрессованной части заготовки; ? - время прессования.

5. Скорость истечения иист, характеризующая скорость движения пресс-изделия.

^ист ^^пр- (5.6)

Виды прессования

Прямое прессование

В прессовом производстве используется несколько видов прессования, основные из которых рассматриваются здесь.

При прямом прессовании направление выдавливания пресс-изделия из канала матрицы и направление движения пресс-штемпеля совпадают

(рис. 5.2). Этот вид прессования наиболее распространен и позволяет получать сплошные и полые изделия широкого диапазона поперечных сечений, близких к размеру поперечного сечения контейнера. Характерная особенность способа - обязательное перемещение металла относительно неподвижного контейнера. Прямое прессование проводят без смазки и со смазкой. При прямом прессовании без смазки заготовку, обычно в виде слитка, помещают между контейнером и пресс-штемпелем с пресс-шайбой (рис. 5.2, а), задвигают в контейнер (рис. 5.2, б), осаживают в контейнере (рис. 5.2, в), экструдируют через канал матрицы (рис. 5.2, г) до начала формирования пресс-утяжины (рис. 5.2, <)), затем извлекают пресс-изделие и отделяют пресс-остаток (рис. 5.2, е).

Схема стадий прямого прессования

Рис. 5.2. Схема стадий прямого прессования: а - исходная позиция; 1 - пресс-штемпель; 2 - пресс-шайба; 3 -заготовка; 4 - контейнер; 5 - матрицедержатель; 6 - матрица; в - загрузка заготовки и пресс-шайбы; в - распрессовка заготовки; г - устойчивое течение металла: 7 - пресс-изделие; д - начало истечения из зон затрудненной деформации и образование пресс-утяжины; е - отделение пресс-остатка

и извлечение пресс-изделия: 8 - нож

Результатом действия сил трения на поверхности заготовки при прямом прессовании являются высокие сдвиговые деформации, способствующие обновлению слоев металла, формирующих периферийные зоны профиля. Этот способ позволяет получать изделия с высоким качеством поверхности, так как в объеме заготовки, прилегающем к матрице, образуется большая по высоте упругая зона металла, которая практически исключает попадание дефектов на поверхность изделия из зоны контакта заготовки с контейнером.

Однако прямое прессование характеризуется следующими недостатками.

  • 1. Затрачиваются дополнительные усилия на преодоление силы трения поверхности заготовки о стенки контейнера.
  • 2. Формируется неравномерность структуры и механических свойств пресс-изделий, приводящая к анизотропии свойств.
  • 3. Снижается выход годного из-за большой величины пресс-остатка и необходимости удаления слабодсформированной части выходного конца пресс-изделия.
  • 4. Быстро изнашиваются детали прессового инструмента из-за трения с деформируемым металлом в процессе прессования.

Обратное прессование

При обратном прессовании истечение металла в матрицу происходит в направлении, противоположном движению пресс-штемпеля (рис.5.3).

Обратное прессование начинают с того, что заготовку помещают между контейнером и полым пресс-штемпелем (рис. 5.3, а), затем ее задвигают в контейнер, осаживают (рис. 5.3, б) и экструдируют через канал матрицы (рис. 5.3, в), после чего извлекают пресс-изделие, отделяют пресс-остаток (рис. 5.2, г), удаляют матрицу и возвращают пресс-штемпель в исходную позицию (рис. 5.3, д).

При обратном прессовании слиток не перемещается относительно контейнера, поэтому трение на контакте контейнер - заготовка практически отсутствует, за исключением угловой полости вблизи матрицы, где оно носит активный характер, и общее усилие прессования снижается из-за отсутствия затрат энергии на преодоление сил трения.

Достоинствами обратного прессования по сравнению с прямым являются:

  • • снижение и постоянство величины усилия прессования, так как устраняется влияние трения между поверхностью заготовки со стенками контейнера;
  • • повышение производительности прессовой установки благодаря увеличению скорости истечения сплавов за счет снижения неравномерности деформации;
  • • повышение выхода годного в результате увеличения длины заготовки и уменьшения толщины пресс-остатка;
  • • повышение срока службы контейнера из-за отсутствия трения его стенок с заготовкой;
  • • повышение однородности механических свойств и структуры в долевом сечении пресс-изделия.
  • 12 3 4 5 6 7
Схема стадий обратного прессования

Рис. 5.3. Схема стадий обратного прессования: а - исходная позиция: 1 - затворный пресс-штемпель; 2 - контейнер; 3 - заготовка; 4 - пресс-шайба; 5 - пресс-штемпель; 6 - магрицедержатель; 7 - матрица; б - загрузка заготовки с матрицей и распрессовка заготовки; в - начало истечения из зон затрудненной деформации и образование пресс-утяжины: 8 - пресс-изделие; г - отделение пресс-остатка и извлечение пресс-изделия: 9 - нож; д - удаление матрицы и возврат контейнера

и пресс-штемпеля в исходную позицию

Недостатками обратного прессования по сравнению с прямым являются:

  • • уменьшение максимального поперечного размера пресс-изделия и числа одновременно прессуемых профилей в связи со снижением размера проходного отверстия в матричном блоке;
  • • необходимость применения заготовок с предварительной подготовкой поверхности для получения пресс-изделий с качественной поверхностью, что требует проведения предварительной обточки или скальпирования заготовок;
  • • уменьшение номенклатуры пресс-изделий в связи с повышением стоимости комплекта инструмента и снижением прочности матричного узла;
  • • увеличение вспомогательного времени цикла;
  • • усложнение конструкции матричного узла;
  • • снижение допустимого усилия на пресс-штемпель из-за его ослабления за счет центрального отверстия.

Полунепрерывное прессование

Длина заготовки зависит от прочности пресс-штемпсля и величины рабочего хода пресса, поэтому для прессования используют заготовки не более определенной длины. При этом каждую заготовку прессуют с пресс-остатком. Выход годного - это показатель экономичности, равный отношению готовой продукции к массе заготовки. Такое ограничение приводит к снижению выхода годного и уменьшению производительности пресса. Указанный недостаток частично устраняется переходом на полунепрерывное прессование (способ еще называется прессованием «заготовка за заготовкой»), которое в зависимости от сплава и назначения пресс-изделий осуществляется без смазки и со смазкой. Полунепрерывное прессование заготовок без смазки заключается в том, что каждая последующая заготовка загружается в контейнер после того как предыдущая экструдируется приблизительно на три четверти от своей длины. При использовании такого приема происходит сварка заготовок по торцам. Длина оставляемой в контейнере заготовки ограничивается тем, что дальнейшее продолжение прессования приведет к образованию пресс-утяжины, поэтому при загрузке в контейнер следующей заготовки устраняется опасность образования утяжинной полости и создаются условия для получения качественных пресс-изделий. При этом возможно получение такого пресс-изделия, длина которого теоретически не ограничена и будет определяться только количеством отпрессованных заготовок. Иногда в процессе прессования изделие сматывают в бухту большой длины.

Последовательность операций при полунепрерывном прессовании приведена на рис. 5.4.

На первой стадии заготовку подают в контейнер пресса и после рас-прессовки экструдируют до заданной длины пресс-остатка (рис. 5.4, а-г). После этого отводят пресс-штемпель вместе с закрепленной на нем пресс-шайбой и загружают очередной слиток. При экструдировании очередной заготовки осуществляется ее сваривание с пресс-остатком от предыдущей заготовки и выдавливание всего металла через канал матрицы (рис. 5.4, д-ж). После прессования каждой заготовки необходим возврат пресс-шайбы в исходное положение, что возможно осуществить только через контейнер. Отсутствие смазки в контейнере эту операцию затрудняет, поэтому требуется специальное крепление пресс-шайбы к прссс-штсмпслю и изменение конструкции пресс-шайбы, например, для облегчения вывода из втулки контейнера пресс-шайбу оснащают упругим элементом.

Недостатком полунепрерывного прессования является невысокая прочность сварки частей пресс-изделия, полученных из отдельных заготовок, из-за различных загрязнений, обычно остающихся в пресс-остатке. Отмечено также, что место сварки в пресс-изделии как следствие особенностей характера истечения металла может сильно растягиваться.

Схема стадий полунепрерывного прессования

Рис. 5.4. Схема стадий полунепрерывного прессования: а - исходная позиция: 1 - прссс-штсмпель; 2 - пресс-шайба; 3 -заготовка; 4 - контейнер; 5 - матрица; 6 - матрицедержатель; 6 - загрузка заготовки; в - распрсссовка заготовки; г - экструзия заготовки; д - загрузка очередной заготовки: 7 - очередная заготовка; е - выдавливание пресс-остагка очередной заготовкой; ж - экструзия

очередной заготовки

При полунепрерывном прессовании хорошо свариваемых сплавов пресс-остаток сваривается со следующим слитком по торцевой поверхности. В прссс-изделии эта поверхность будет изогнутой, что при хорошей сварке увеличивает прочность стыка. В этом процессе для лучшей свариваемости недопустима смазка и необходим подогрев контейнера до температуры, близкой к температуре прессования. Этим же способом можно прессовать с применением смазочных материалов изделия из неудовлетворительно сваривающихся металлов и сплавов. Однако для получения плоской линии сочленения пресс-изделий из последовательно прессуемых заготовок с легким их последующим разделением необходимо применять конусные матрицы с углом наклона образующей к оси менее 60° и вогнутые пресс-шайбы.

Еще одна схема полунепрерывного прессования с форкамерой в настоящее время широко применяется для производства пресс-изделий из алюминиевых сплавов (рис. 5.5).

Схема полунепрерывного прессования с использованием форкамеры

Рис. 5.5. Схема полунепрерывного прессования с использованием форкамеры: I - пресс-штемпель;

  • 2 - пресс-шайба; 3 - заготовка; 4 - контейнер; 5 -«мертвые» зоны; 6 - матрицедержатель; 7 - матрица;
  • 8 - форкамера

Характерной чертой этой схемы прессования является использование специального форкамерного инструмента, обеспечивающего прессование со стыковой сваркой и натяжением.

Непрерывное прессование

Одним из основных недостатков прессования является цикличность процесса, поэтому в последние годы большое внимание уделяется разработке способов непрерывного прессования: конформ, экстроллинг, лай-нскс. Наибольшее применение в промышленности нашел способ конформ. Особенностью установки конформ является то (рис. 5.6), что в ее конструкции контейнер образуется поверхностями канавки подвижного приводного колеса 6 и выступом неподвижной вставки 2, которая прижимается к колесу с помощью гидравлического или механического устройства. Таким образом, сечение контейнера, пользуясь терминологией сортовой прокатки, представляет собой закрытый калибр. Заготовка втягивается в контейнер благодаря силам трения и заполняет его металлом. При достижении упора 5 в заготовке происходит нарастание давления до величины, обеспечивающей экструдирование металла в виде прессованного полуфабриката 4 через канал матрицы 3.

В качестве заготовки можно использовать пруток или обычную проволоку, причем процесс деформирования - втягивания в камеру прессования по мере поворота колеса, предварительное профилирование, заполнение канавки в колесе, создание рабочего усилия и, наконец, экструдирование идет непрерывно, т. е. реализуется технология непрерывного прессования.

Схема непрерывного прессования способом конформ

Рис. 5.6. Схема непрерывного прессования способом конформ: I - подача прутковой заготовки; 2 - неподвижная вставка; 3 - матрица; 4 - полуфабрикат; 5 - упор; 6 - колесо

Всестороннее неравномерное сжатие, возникающее в очаге деформации, позволяет достигать высоких вытяжек даже для малопластичных сплавов, а пластичные сплавы можно прессовать при комнатной температуре с высокими скоростями истечения. Способом конформ можно получать проволоку и мелкосортные профили с высокой вытяжкой (более 100). Это особенно актуально для проволоки, которую выгоднее изготавливать более производительным способом конформ вместо волочения. В настоящее время способ конформ применяется для прессования алюминиевых и медных сплавов. И, наконец, целесообразно использование данного способа для получения полуфабрикатов из дискретных металлических частиц: гранул, стружки. Причем имеется отечественный опыт по промышленному использованию способа конформ для получения, например, лигатурного прутка из гранул алюминиевых сплавов.

Однако отсутствие подробных исследований формоизменения металла, учета граничных сил трения, изучения закономерностей деформации различных металлов и сплавов выявили ряд недостатков, которые существенно ограничивают возможности данного метода непрерывного прессования.

  • 1. Максимальный линейный размер поперечного сечения заготовки не должен превышать 30 мм, чтобы обеспечить ее изгиб при движении по калибру.
  • 2. Существуют трудности в соблюдении температурного режима прессования, так как инструмент в результате действия сил трения сильно разогревается.
  • 3. Процесс сопровождается (особенно для алюминиевых сплавов, чаще всего применяемых для данного способа) налипанием металла на инструмент, выдавливанием металла в зазор калибра с образованием дефекта типа «ус» и т. п.

Течение металла при прессовании

Управление процессом прессования и повышение качества прессованных полуфабрикатов основано на знании закономерностей течения металла в контейнере. В качестве примера можно привести прямое прессование без смазки, являющееся наиболее распространенным. Этот процесс можно условно разделить на три стадии (рис. 5.7).

Первая стадия называется распрессовкой заготовки. На этой стадии заготовка, вводимая в контейнер с зазором, подвергается осадке, в результате чего контейнер заполняется прессуемым металлом, который затем входит в канал матрицы. Усилие на этой стадии растет и достигает максимума.

Вторая стадия начинается с выдавливания профиля. Эта стадия считается основной и характеризуется установившимся течением металла. По мере выдавливания заготовки и уменьшения величины поверхности контакта заготовки с контейнером давление прессования снижается, что объясняется снижением величины составляющей усилия пресса, расходуемого на преодоление трения по контейнеру. На этой стадии объем заготовки условно можно разбить на зоны, в которых происходят пластические и упругие деформации. В основной части заготовки металл деформируется упруго и пластически, а в углах сопряжения матрицы и контейнера и возле пресс-шайбы наблюдается упругая деформация (рис. 5.8).

Установлено, что соотношение объемов упругих и пластических зон основной части заготовки зависит главным образом от трения между

поверхностями заготовки и контейнера. При больших значениях сил трения пластическая деформация охватывает почти весь объем заготовки; если же трение мало, например, прессование идет со смазкой, или отсутствует полностью (обратное прессование), то пластическая деформация сосредоточивается в обжимной части пластической зоны вокруг оси матрицы.

Ход пресс-штемпеля

Рис. 5.7. Схема прессования с графиком распределения усилия прессования по стадиям: I - распрсссовка заготовки;

II - установившееся течение металла; III - завершающая стадия

Схема образования пресс-утяжины при прессовании

Рис. 5.8. Схема образования пресс-утяжины при прессовании: 1 - зона пластической деформации; 2 - пресс-утяжина; 3 - зона упругой деформации («мертвая» зона)

Сравнительно небольшие упругие зоны возле матрицы оказывают значительное влияние на ход истечения металла и качество отпрессованной продукции. Особо следует выделить объем металла, находящийся в углах между матрицей и стенкой контейнера, который деформируется только упруго. Эту упругую зону металла еще называют «мертвой» зоной, и в зависимости от условий прессования размеры ее могут изменяться. Упругая зона у матрицы образует область, похожую на воронку, через которую и происходит течение металла заготовки в матрицу. При этом металл из самой «мертвой» зоны в пресс-изделие не истекает. При прямом прессовании объемы металла, прилегающие к поверхности заготовки, из-за больших сил трения на контактных поверхностях, а также пластически не-деформируемые зоны металла у матрицы задерживают периферийный слой от истечения в канал матрицы, поэтому он нс участвует в формировании поверхности изделия. Это является одним из достоинств прямого прессования, заключающимся в том, что качество поверхности заготовки мало влияет на качество поверхности пресс-изделия.

В конце основной стадии возникает явление, оказывающее большое влияние на весь процесс прессования, - образование пресс-утяжины, которое происходит следующим образом. По мерс продвижения пресс-шайбы к матрице вследствие трения движение частей металла, контактирующих с пресс-шайбой, затормаживается, а в центральной части заготовки образуется воронкообразная полость, в которую направлены встречные потоки периферийного металла. Вследствие того, что в эту «воронку» устремляются объемы металла с торца и боковой поверхности заготовки, содержащие окислы, смазку и другие загрязнения, то пресс-утяжина может проникнуть в пресс-изделие. В качественном пресс-изделии наличие этого дефекта недопустимо. Формирование пресс-утяжины является наиболее характерным явлением третьей стадии прессования.

Для того чтобы полностью исключить переход пресс-утяжины в пресс-изделие, процесс прессования останавливают до полного завершения экструзии заготовки. Недопрессованная часть заготовки, называемая пресс-остаток, удаляется в отход. Длина пресс-остатка, в зависимости от условий прессования, прежде всего величины контактного трения, может изменяться от 10 до 30 % первоначального диаметра заготовки. Если все же пресс-утяжина проникла в пресс-изделие, то эту часть профиля отделяют и удаляют в отход.

Образование пресс-утяжины резко уменьшается при обратном прессовании, но переход к этому виду сопровождается снижением производительности процесса. Существуют следующие мероприятия по снижению пресс-утяжины при сохранении производительности:

  • • снижение трения на боковых поверхностях контейнера и матрицы за счет использования смазки и применения контейнеров и матриц с хорошей обработкой поверхности;
  • • нагрев контейнера, снижающий охлаждение периферийных слоев слитка;
  • • прессование с рубашкой.

Силовые условия прессования

Выбор оборудования, расчет инструмента, установление энергетических затрат и другие показатели рассчитываются на основе определения силовых условий прессования. В практике прессового производства эти показатели определяют экспериментально, аналитически или с помощью компьютерного моделирования.

Силовые условия прессования, определенные в производственных условиях, являются наиболее точными, особенно, если испытания проводятся на действующем оборудовании, но этот метод отличается трудоемкостью, высокой стоимостью и часто для новых процессов его практически невозможно осуществить. Моделирование горячих процессов обработки металла в производственных, а чаще в лабораторных условиях, связано с отступлением от реальных условий, особенно в температурном режиме из-за различий удельных поверхностей модели и натуры, отсюда неточности этого способа. Наиболее простым и распространенным способом, позволяющим достаточно точно оценить полное усилие прессования, является способ измерения давления жидкости в рабочем цилиндре пресса по показаниям манометра. Из экспериментальных методов, позволяющих косвенно определить силовые условия прессования, применяют метод измерения упругих деформаций колонн пресса, а также тензометрические испытания.

Для компьютерного моделирования процессов прессования и определения силовых затрат в последнее время широко используются такие программы, как DEFORM (Scentific Forming Technologies Corporation, США) и QFORM (КванторФорм, Россия), которые основаны на методе конечных элементов. При подготовке данных для моделирования по этим программам обычно необходимы сведения о сопротивлении деформации материала заготовки, характеристиках применяемой смазки, а также технических параметрах деформирующего оборудования.

Большой интерес представляют аналитические способы определения силовых условий прессования, в основу которых положены законы механики твердого тела, результаты экспериментов по изучению напряженно-деформируемого состояния прессуемого материала, дифференциальные уравнения равновесия, метод баланса мощностей и др. Все эти расчетные методы достаточно сложны и описаны в специальной литературе. Кроме того, в аналитических методах необходимо знание того, что в любой формуле невозможно учесть в математическом выражении все условия и разновидности процесса, и поэтому отсутствуют необходимые расчетные коэффициенты, точно отражающие действительные условия и факторы процесса.

На практике для распространенных видов прессования часто применяют упрощенные формулы определения полного усилия. Наиболее известной является формула И. Л. Перлина, согласно которой усилие Р, необходимое для экструдирования металла из контейнера через отверстие матрицы, равно

P = RM + TK+TM + Tn, (5.7)

где RM - усилие, необходимое для осуществления пластической деформации без учета трения; Тк усилие, затрачиваемое для преодоления сил трения на боковой поверхности контейнера и оправки (при обратном способе прессования перемещение слитка относительно контейнера отсутствует и Тк - О); Гм - усилие, необходимое для преодоления сил трения, возникающих на боковой поверхности обжимающей части очага деформации; Тп - усилие, затрачиваемое для преодоления сил трения, действующих на поверхности калибрующего пояска матрицы.

Давление прессования а рассчитывается как отношение усилия Р, при котором идет прессование, к площади сечения контейнера Рк

с = —. (5.8)

р

х К

Для подсчета составляющих усилия прессования чаще всего используют формулы, содержащиеся в справочниках для разных случаев прессования.

Часто пользуются упрощенными формулами, например:

Р = Р3МПпХ, (5.9)

где ^3 - площадь поперечного сечения заготовки; Мп - модуль прессования, в котором учтены все условия прессования; X - коэффициент вытяжки.

Для практических расчетов силы прессования можно рекомендовать формулу Л. Г. Степанского, которая записывается в следующем виде:

Р = 1,15аД(1 + 1,41п?1). (5.10)

где а5 - сопротивление деформации материала заготовки.

К основным факторам, влияющим на величину усилия прессования, можно отнести: прочностные характеристики металла, степень деформации, форму и профиль канала матрицы, размеры заготовки, условия трения, скорости прессования и истечения, температуру контейнера и матрицы.

Прессование труб и полых профилей

Прессование труб

Прессованием получают трубы и другие полые профили. Для этого используют прямое и обратное прессование с неподвижной и подвижной иглой, а также прессование с применением комбинированной матрицы. Прессованием с неподвижной иглой называют процесс, при котором в момент выдавливания металла в кольцевой зазор, формирующий стенку трубы, игла остается в неподвижном состоянии.

Прямое и обратное прессование труб с неподвижной иглой принципиально не отличаются от схем прессования сплошных изделий. Однако наличие дополнительной детали - иглы-оправки для формирования внут-рсннего канала трубы изменяет характер течения металла. Для иглы-оправки требуется специальный привод, задача которого заключается в обеспечении различных кинематических условий в зависимости от соотношения скорости перемещения иглы-оправки, пресс-штемпеля и контейнера.

Прессование труб с неподвижной иглой требует применения заготовок с предварительно выполненными в них центральными отверстиями, служащими также в качестве направляющих отверстий для иглы. Полость в заготовке для иглы-оправки изготавливают прошивкой на прессе, высверливанием или литьем. Схема прямого прессования трубы представлена на рис. 5.9.

д

Схема стадий прямого прессования труб с неподвижной иглой

Рис. 5.9. Схема стадий прямого прессования труб с неподвижной иглой: а - исходная позиция: I - игла-оправка; 2 - вершина иглы-оправки; 3 -пресс-штемпель; 4 - прссс-шайба; 5 - заготовка; 6 - контейнер; 7 - матрица; 8 - матрицедержатель; 6 - загрузка заготовки в контейнер; в - распрсссовка заготовки; г - стадия устойчивого течения; д - начало истечения из зон затрудненной деформации и образование пресс-утяжины; е - отвод пресс-штемпеля и контейнера, отделение пресс-остатка и пресс-шайбы: 9 - нож

Прессование начинается движением пресс-штемпеля, затем игла-оправка проходит через отверстие заготовки до тех пор, пока ее торец не упрется в матрицу, после чего следует распрсссовка заготовки с последующим выдавливанием металла в кольцевой зазор, оОразованныи каналом матрицы (формирует наружный диаметр трубы) и поверхностью иглы (формирует внутренний диаметр трубы). Так же, как и при прессовании прутка, между поверхностями заготовки и стенками контейнера возникает сила трения. После достижения определенной длины пресс-остатка игла движется назад, следом отводится контейнер, и из него удаляется пресс-остаток. При отводе пресс-штемпеля ножницы, закрепленные на передней поперечине пресса, отделяют пресс-остаток. Следует отметить, что при экструзии металла игла-оправка удерживается прошивной системой в матрице в одном и том же положении, поэтому данный способ прессования называют прессованием труб с неподвижной иглой-оправкой. Но трубы можно прессовать и на прутково-профильных прессах без прошивной системы. В этом случае игла-оправка крепится на пресс-штемпеле и входит в полость заготовки, а затем в матрицу. При движении пресс-штемпеля и экструзии металла игла-оправка также движется вперед, и такой способ называют прессованием с подвижной иглой.

Последовательность обратного прессования труб с неподвижной иглой представлена на рис. 5.10. В начальный момент игла-оправка 1 вводится в полость заготовки 4 до тех пор, пока ее вершина не войдет в канал матрицы 5, затем следует распрессовка слитка и экструдирование металла заготовки в кольцевой зазор между каналом матрицы и поверхностью иглы. По достижении заданной длины пресс-остатка игла отводится в исходное положение и удаляется пресс-остаток.

Основные достоинства прямого способа прессования труб по сравнению с обратным можно сформулировать следующим образом:

  • 1. Возможность использования любого типа пресса.
  • 2. Высокое качество поверхности получаемых труб.
  • 3. Возможность получения труб практически любой конфигурации.

При этом следует отмстить и ряд недостатков:

  • 1. Высокие энергетические затраты на преодоление сил трения.
  • 2. Анизотропия свойств по длине и сечению труб.
  • 3. Износ поверхностей контейнера и иглы-оправки.
  • 4. Значительные отходы металла из-за пресс-остатка (10 % и более).

Для прессования труб с неподвижной иглой применяют трубопрофильные прессы, оснащенные прошивной системой, что нс требует применения только полой заготовки. При прямом прессовании труб после загрузки заготовки 4 и пресс-шайбы 3 в контейнер 5 сначала осуществляют распрессовку заготовки. При этом иглу 7, находящуюся внутри полого пресс-штемпеля 3, немного выдвигают вперед и запирают отверстие пресс-шайбы 2 (рис. 5.11, б). После распрессовки снимают давление с пресс-штемпеля и прошивают слиток выдвигаемой из него иглой. Затем подают рабочее давление к пресс-штемпелю и заготовку выдавливают в кольцевой зазор между иглой 1 и матрицей 6 (рис. 5.11, г). По окончании прессования пресс-пакет (пресс-остаток с пресс-шайбой) отрезается ножом 8 (рис. 5.11, е). При этом способе необходимо проводить тщательное центрирование осей контейнера, пресс-штемпеля и иглы-оправки относительно оси матрицы, чтобы избежать эксцентричности получаемых труб.

Схема стадий обратного прессования труб с неподвижной иглой

Рис. 5.10. Схема стадий обратного прессования труб с неподвижной иглой: а - исходная позиция: 1 - игла-оправка; 2 - затворный пресс-штемпель; 3 -контейнер; 4 - заготовка; 5 - матрица; 6 - пресс-штемпель; 7 - мундштук; 8 -опора; в - загрузка заготовки; в - введение иглы и распрсссовка заготовки в контейнере; г - прессование трубы; д - прессование до заданной длины пресс-остатка, отвод затворного пресс-штемпеля и иглы: 9 -нож; 10- труба; е- выталкивание матрицы из контейнера; ж - возврат в исходную позицию

Описанные схемы имеют следующие недостатки:

  • 1. Выполнение отверстия в заготовке (сверлением, прошивкой и пр.) требует изменения конструкции оборудования и инструмента, дополнительных операции, что повышает трудоемкость процесса, снижает выход годного и т. д.
  • 1 2 3 4 5 6 7
Схема стадий прямого прессования труб с неподвижной иглой

Рис. 5.11. Схема стадий прямого прессования труб с неподвижной иглой: а - исходная позиция: 1 - игла; 2 - пресс-штемпель; 3 - пресс-шайба; 4 - заготовка; 5 - контейнер; 6 - матрица; 7 - матрицедержатель; б - подача заготовки в контейнер; в - распрсссовка заготовки; г - прошивка заготовки иглой: 8 - пробка; д - прессование до заданной длины пресс-остатка; е - отделение пресс-остатка

с пресс-шайбой: 9 - нож; 10 - труба

  • 2. Получение точной геометрии трубы делает необходимым центрирование иглы-оправки относительно оси канала матрицы, что усложняет конструкцию инструментальной наладки.
  • 3. Нанесение смазки на иглу-оправку повышает вероятность образования дефектов в прошиваемой заготовке.

Прессование труб и полых профилей со сваркой

Большинство недостатков, перечисленных для рассмотренных видов прессования труб, устраняются применением комбинированных матриц, что позволяет получать изделия практически любой конфигурации со сложными наружными и внутренними контурами. Такие матрицы дают возможность изготавливать профили нс только с одной, но и с несколькими полостями различных форм, как симметричных, так и асимметричных. Более точная фиксация оправки относительно матричного канала и ее небольшая длина, а поэтому повышенная жесткость позволяют прессовать трубы и полые профили со значительно меньшей разнотолщинностью по сравнению с прессованием через простые матрицы.

Преимущества этого процесса заключаются в следующем:

  • • устраняется потеря металла на получение полости в сплошной заготовке;
  • • появляется возможность использования прессов без прошивной системы;
  • • уменьшается продольная и поперечная разнотолщинность полых прессованных изделий благодаря жестко закрепленной короткой игле;
  • • становится доступным получение изделий большой длины методом полунепрерывного прессования со свертыванием пресс-изделия в бухту;
  • • улучшается качество внутренней поверхности профилей благодаря отсутствию смазочных материалов;
  • • появляется возможность прессования сразу нескольких профилей, причем самой разнообразной конфигурации.

Однако при использовании такой схемы прессования следует учитывать ряд недостатков, среди которых главными являются большой пресс-остаток и наличие сварных швов, которые менее прочны, чем основной металл, а также высокая стоимость матриц и низкая производительность процесса.

Все комбинированные матрицы состоят из корпуса матрицы или втулки матрицы и рассекателя с иглой. Матрица и игла образуют каналы, поперечные сечения которых соответствуют сечению пресс-изделий. На рис. 5.12 показано, что на сплошную заготовку 4, помещенную в контейнер 3, от пресс-штемпеля 1 через пресс-шайбу 2 передается давление из рабочего цилиндра пресса.

Под действием давления металл заготовки 4, проходя через выступающий рассекатель 7, разделяется на два потока, которые затем входят в общую сварочную зону 8 (течение металла показано стрелками), обтекают рассекатель и под действием высоких температур и давлений свариваются в трубу 9, имеющую швы по всей длине. Такую матрицу еще называют язычковой.

На рис. 5.13. представлена схема сборки прессового инструмента (инструментальная наладка), применяемая для прессования трубы с использованием комбинированной матрицы.

Схема прессования трубы через одноканальную комбинированную матрицу с выступающим рассекателем

Рис. 5.12. Схема прессования трубы через одноканальную комбинированную матрицу с выступающим рассекателем: 1 -пресс-штемпель; 2 - пресс-шайба; 3 - контейнер; 4 - заготовка; 5 - корпус матрицы; 6 - матрица; 7 - выступающий рассекатель;

  • 8 - сварочная зона; 9 - труба
  • 7 9
Инструментальная наладка для прессования трубы через одноканальную комбинированную матрицу с выступающим рассекателем

Рис. 5.13. Инструментальная наладка для прессования трубы через одноканальную комбинированную матрицу с выступающим рассекателем: 1 -пресс-штемпель; 2 - контейнер; 3 - пресс-шайба; 4 - матрица; 5 - корпус матрицы; 6 - вкладыш; 7 - матрицедержатель; 8 - направляющая; 9 - труба

Разные по конструкции комбинированные матрицы позволяют получать не только трубы, но и профили с одной, а также с несколькими полостями самых различных форм, как симметричных, так и асимметричных, которые невозможно изготовить при прессовании в простые матрицы. На рис. 5.14 показана четырехканальная комбинированная матрица для прессования профиля сложной формы.

Комбинированная четырехканальная матрица (а) и форма прессуемого профиля (б)

Рис. 5.14. Комбинированная четырехканальная матрица (а) и форма прессуемого профиля (б)

Необходимым условием получения прочных сварных швов является также применение таких температурно-скоростных режимов прессования, при которых температура металла в пластической зоне становится достаточно высокой для схватывания в швах, а длительность контакта свариваемых поверхностей обеспечивает протекание диффузионных процессов, способствующих развитию и упрочнению металлических связей. Кроме того, выполнение деформационных условий, гарантирующих высокое гидростатическое давление в сварочной зоне, также обеспечивает хорошее качество сварного шва.

Прессование через многоканальную матрицу

Экструдированис металла, при котором используют матрицы с числом каналов до 20 (рис. 5.15), а иногда и более, называют многоканальным прессованием. Переход от одноканального прессования к многоканальному благодаря возрастанию суммарного поперечного сечения одновременно прессуемых изделий и уменьшению общей вытяжки при одинаковых размерах заготовок и равных скоростях истечения уменьшает длительность процесса прессования, снижает полное давление прессования и тепловой эффект деформации, а также приводит к возрастанию общей площади контактной поверхности в каналах матрицы.

Замена одноканального прессования многоканальным выгодна при следующих условиях:

  • • повысится производительность;
  • • номинальное усилие используемого пресса во много раз превышает необходимое для прессования данного профиля через один канал;
  • • требуется ограничение роста температуры металла в очаге деформации;
  • • необходимо получение профилей с малой площадью поперечного сечения.

Особенности течения металла при многоканальном прессовании заключаются в том, что объем прессуемого металла при приближении к матрице разделяется на отдельные потоки (по числу каналов), а скорости истечения из каждого канала матрицы будут неодинаковыми. Поэтому чем дальше от центра матрицы располагаются оси каналов матрицы, тем короче будет длина получаемых пресс-изделий. Такое прессование характеризуют средней вытяжкой А,ср:

^р = -^г. (5.11)

при

где Е’к - площадь сечения контейнера; - площадь сечения канала в матрице; п - количество каналов в матрице.

При многоканальном прессовании по мере продвижения пресс-шайбы к матрице непрерывно изменяются скорости истечения через различные каналы. Для выравнивания скоростей истечения из разных каналов и получения пресс-изделий заданной длины каналы на матрице располагают определенным образом. Значения скоростей истечения будут близкими, если центры каналов расположены равномерно по всей окружности с центром на оси заготовки. Если каналы располагаются на нескольких концентрических окружностях, то центр каждого канала должен совпадать с центром тяжести равновеликих ячеек сетки, нанесенной на торцевую поверхность матрицы. Ячейки должны быть расположены симметрично относительно оси.

Кроме уже рассмотренного способа прессования с использованием комбинированных матриц (см. рис. 5.14), многоканальное прессование применяют также при производстве несимметричных или с одной плоскостью симметрии профилей для уменьшения неравномерности деформации (см. рис. 5.15).

Схема сборки прессового инструмента (инструментальной наладки) для многоканального прессования представлена на рис. 5.16.

Расположение каналов на многоканальных матрицах

Рис. 5.15. Расположение каналов на многоканальных матрицах

Схема инструментальной наладки для многоканального прессования на горизонтальном прессе

Рис. 5.16. Схема инструментальной наладки для многоканального прессования на горизонтальном прессе: 1 - пресс-штемпель; 2 - пресс-шайба; 3 - заготовка; 4 - внутренняя втулка контейнера;

5 - матрица; 6 - матрицедержатель

В тех случаях, когда при определенном размере контейнера пресса невозможно отпрессовать профиль большого диаметра более чем в одну нитку, целесообразно для повышения производительности пресса этот профиль прессовать одновременно с одним-двумя профилями малых диаметров.

Оборудование для прессования

В качестве оборудования для прессования наибольшее распространение получили прессы с гидравлическим приводом, являющиеся машинами статического действия. Гидравлические прессы отличаются простотой конструктивного исполнения и в то же время могут развивать значительные усилия с помощью жидкости высокого давления (водная эмульсия или минеральное масло). Основными характеристиками гидравлических прессов являются номинальное усилие Рн, рабочий ход и скорость движения прессующей траверсы, а также размеры контейнера. Номинальное усилие пресса определяют как произведение давления жидкости в рабочем цилиндре пресса на площадь (или сумму площадей) плунжера. Скорость рабочего хода плунжера пресса легко регулируется изменением количества подаваемой в цилиндры жидкости. Прессы с механическим приводом от электродвигателя для прессования металла применяют реже.

Типовая гидропрессовая установка состоит из пресса I, трубопроводов II, органов управления III и привода IV (рис. 5.17).

Конструкция гидравлического пресса включает станину 1, служащую для замыкания развиваемых усилий, рабочего цилиндра 2, в котором развивается давление жидкости, плунжера 3, воспринимающего это давление и передающего это усилие через инструмент 4 на заготовку 5. Для осуществления обратного хода в гидравлических прессах предусмотрены возвратные цилиндры 6.

Приводом гидравлических прессов называется система, обеспечивающая получение жидкости высокого давления, и ее аккумулирование. Приводом могут быть насосы или насосно-аккумуляторные станции. Насосы применяют как индивидуальный привод на прессах малой и средней мощности, работающих с небольшими скоростями. Для мощных прессов или группы прессов применяют насосно-аккумуляторный привод, отличающийся от индивидуального насосного тем, что в сеть высокого давления добавлен аккумулятор - баллон для накопления жидкости высокого давления. По мерс работы прессов жидкость в аккумуляторе периодически расходуется и снова накапливается. Такой привод обеспечивает высокую скорость движения инструмента и необходимое усилие пресса.

В зависимости от назначения и конструкции прессы подразделяют на прутково-профильные и трубопрофильные, по расположению - на вертикальные и горизонтальные. В отличие от прутково-профильных прессов трубопрофильные прессы оборудованы независимым приводом иглы (прошивной системой).

По методу прессования прессы подразделяют на прессы для прямого и обратного прессования, а по усилию - на прессы малого (5-12,5 МН), среднего (15-50 МН) и большого (более 50 МН) усилия.

Схема гидропрсссовой установки

Рис. 5.17. Схема гидропрсссовой установки: I - пресс; II - трубопроводы; III - органы управления; IV - привод; 1 - станина; 2 - цилиндр; 3 - плунжер; 4 - инструмент; 5 - заготовка; 6 - возвратные цилиндры

Отечественные заводы по обработке цветных металлов и сплавов в основном применяют вертикальные прессы усилием 6-10 МН и горизонтальные - 5-300 МН. Зарубежные предприятия используют вертикальные прессы с диапазоном усилий от 3 до 25 МН, а горизонтальные с усилиями от 7,5 до 300МН.

В состав большинства прессовых установок, кроме самого пресса, входят устройства для нагрева и передачи слитков от печи к прессу, а также оборудование, расположенное со стороны выхода изделия из пресса: холодильник, механизмы правки, резки и сматывания изделий.

Сравнение вертикальных и горизонтальных прессов позволяет выявить недостатки и преимущества каждого из этих типов оборудования. Так, благодаря небольшому ходу главного плунжера вертикальные прессы по числу прессовок в час значительно превосходят горизонтальные. Вследствие вертикального расположения движущихся частей эти прессы легче центрируются, имеют лучшие условия для работы со смазкой контейнера, что позволяет получать на них трубы с более тонкими стенками и меньшим разбросом по толщине стенки. На предприятиях по обработке цветных металлов применяют вертикальные прессы без прошивной системы и с прошивной системой. Оба типа прессов в основном используют для получения труб ограниченной длины и диаметром от 20-60 мм. Для прессов первого типа используют полую заготовку, которую обтачивают по наружному диаметру для снижения разброса по толщине стенки трубы. Для прессов с прошивной системой применяют сплошную заготовку, прошивку которой осуществляют на прессе. Схема вертикального пресса без прошивной системы представлена на рис. 5.19.

После каждой операции прессования ползун 12 при помощи гидроцилиндра перемещается вправо, происходит отрезка изделия, а матрица с пресс-остатком по склизу ползуна скатывается в тару. Обратный ход главного плунжера осуществляется благодаря цилиндру 14, закрепленному на станине. Конструкция вертикального пресса позволяет производить 100-150 прессовок в 1 час.

Однако, несмотря на это, горизонтальные прессы получили большое распространение благодаря возможности прессования более длинных изделий, в том числе с большим поперечным сечением. Кроме того, этот тип прессов в работе легче согласуется со средствами автоматизации. На рис. 5.19 и 5.20 представлены прутково-профильный и трубопрофильный горизонтальные прессы.

Прутково-профильные прессы проще по конструкции, чем трубо-профильные, в основном потому, что в их состав не входит прошивное устройство. В конструкцию представленного на рис. 5.19 пресса входит подвижный контейнер 3, способный двигаться за счет цилиндров перемещения контейнера 9 вдоль оси пресса, главный цилиндр 6, в который поступает жидкость высокого давления, обеспечивающая создание усилия прессования, передаваемого через пресс-штсмпсль 10 и пресс-шайбу на заготовку. С помощью возвратных цилиндров 7 за счет жидкости низкого давления происходит перемещение подвижной траверсы 8. На таких прессах можно прессовать и трубы, но для этого следует использовать или полую заготовку или при сплошной заготовке вести прессование через комбинированную матрицу.

Массивным основанием трубопрофильного пресса (см. рис. 5.21) является фундаментная плита 12, на которой смонтированы передняя 1 и задняя поперечины 2, которые связаны четырьмя мощными колоннами 3. Эти детали пресса несут основную нагрузку при прессовании. Главный цилиндр, с помощью которого создается усилие рабочего прессования, и возвратный цилиндр, предназначенный для перемещения пресс-штемпеля в исходное положение, закреплены в задней поперечине 2.

Общий вид вертикального пресса

Рис. 5.18. Общий вид вертикального пресса: 1 - станина; 2 - главный цилиндр; 3 - главный плунжер; 4 - подвижная траверса; 5 - головка; 6 - пресс-штемпель; 7 - игла; 8 - контейнер; 9 - контейнеродержатель; 10- матрица; 11- плита; 12 - ползун; 13 - нож; 14 - цилиндр; 15 - кронштейны

? 1 ?

13 12 11 10 9 в

Рис. 5.19. Общий вид горизонтального прутковопрофильного пресса: 1 - матричная доска; 2 - колонна; 3 - контейнер;

  • 4 - контейнеродержатель; 5 - прессующая траверса; 6 - главный цилиндр; 7 -возвратный цилиндр; 8 - задняя поперечина;
  • 9 - цилиндр перемещения контейнера; 10 - пресс-штемпель; 11- матричный узел; 12 - передняя поперечина; 13 - станина пресса
  • 11 10 1 8

'

  • 9 4 5 3 16 7 8
  • 13 К
Общий вид горизонтального трубопрофильного пресса

Рис. 5.20. Общий вид горизонтального трубопрофильного пресса: 1 - передняя поперечина; 2 - задняя поперечина; 3 - колонна; 4 - матричный узел; 5 - контейнер; 6 - цилиндр; 7 - приемный стол; 8 - клиновой затвор; 9 - гидроцилиндр; 10 - пила; 11 -ножницы; 12 - фундаментная плита; 13 - главный цилиндр; 14 - главный плунжер; 15 - подвижная поперечина; 16 - пресс-штемпель; 17 - хвостовик; 18 - шток прошивной системы; 19 - траверса прошивной системы; 20 - плунжер; 21 - цилиндр

прошивной системы; 22 - игла

В описываемой конструкции пресса задняя поперечина выполнена заодно с главным цилиндром 13. Подвижная траверса 15 с пресс-штемпелем 16 соединена с передней горловиной главного плунжера 14. Подвижный шток 18, закрепленный на подвижной траверсе 19 прошивной системы, входит в полость главного плунжера и его хвостовик 7 7. В канале подвижного полого штока 18 расположена труба, по которой подается вода для охлаждения прошивной иглы 22. Охлаждающая вода от иглы отводится по каналу полого штока. Вся телескопическая система заключена в кожух хвостовика 77. В свою очередь, траверса закреплена на плунжере 20 цилиндра прошивки 21. Прошивная траверса 19 и шток 18 при прошивке движутся автономно от главного плунжера, а при прессовании синхронно с ним. Матричный узел 4 с примыкающим к нему контейнером 5 через клиновой затвор 8 опирается на переднюю поперечину. Клиновой затвор снабжен гидроцилиндром 9. При отделении пресс-остатка и смене матрицы мундштук с матрицедержателем выводится из поперечины цилиндром 6, который смонтирован в раме приемного стола 7. Изделие отрезается от пресс-остатка пилой 10 или ножницами 77. Пила при помощи гидравлических цилиндров, работающих на масле, поднимается или опускается для совершения операции резки.

Прессование труб на трубопрофильном прессе состоит из следующих операций. Заготовка, нагретая в печи, скатывается по желобам на промежуточный стол, обволакиваясь при этом смазочным материалом, и переносится на лоток. Перед слитком на этот же лоток перед заготовкой устанавливают прссс-шайбу и перемещают лоток на уровень контейнера 5 до совмещения оси слитка с осью контейнера. После этого заготовку с пресс-шайбой с помощью пресс-штемпеля 16 на холостом ходу плунжера главного цилиндра 14 заталкивают в подогреваемый контейнер. Для остановки подвижной траверсы 75 в момент достижения заданной высоты пресс-остатком перед контейнером установлен ограничитель хода. Затем под действием жидкости высокого давления в цилиндре прошивной системы 21 совершается рабочий ход, и заготовка прошивается иглой 22. Прессование трубы путем выдавливания металла в зазор между каналом матрицы и иглой осуществляется давлением пресс-штемпеля 16 через пресс-шайбу на заготовку за счет жидкости высокого давления в главном цилиндре. По окончании цикла прессования прошивная и прессующая траверсы совершают обратный ход до крайнего заднего положения, контейнер отводится, чтобы обеспечить проход пилы 10, которая подводится гидравлическими цилиндрами, отрезает пресс-остаток и отводится в исходное положение. Далее следуют операции по удалению пресс-остатка с остатком трубы и их разделение с помощью ножниц 77. Затем иглу выдвигают для охлаждения и смазки.

В соответствии с технологией прессования гидравлический пресс должен иметь и вспомогательные механизмы, используемые для выполнения таких операций, как подача слитка в нагревательную печь, отрезка пресс-остатка и его уборка, транспортировка отпрессованных прутков и их отделка, а при необходимости и термическая обработка. Характерным для современных прессов является их полная механизация и автоматизация с программным управлением для основных и вспомогательных операций, начиная от подачи заготовки в нагревательную печь, самого процесса прессования и кончая упаковкой готовых изделий.

Прессовый инструмент

Основные детали прессового инструмента

Установленный на прессе комплект инструмента называют инструментальной наладкой, конструкция которой меняется в зависимости от устройства пресса и вида прессуемых изделий.

Для прессования на гидравлических прессах применяется несколько видов наладок, различающихся в зависимости от вида пресс-издслий, способа прессования и типа используемого прессового оборудования.

Обычно инструментальные наладки представляют собой системы, состоящие из матричного комплекта, контейнера и пресс-штемпеля или матричного комплекта, контейнера, оправки и пресс-штемпеля и различаются или устройством матричного комплекта или введением оправки. Один из основных видов инструментальной наладки представлен на рис. 5.21.

В гидравлических прессах основным прессовым инструментом являются матрицы, матрицедержатели, иглы, пресс-шайбы, пресс-штемпели, иглодержатели и контейнеры.

По сравнению с прутково-профильными прессами инструментальные наладки, применяемые на трубопрофильных прессах, имеют свои особенности, связанные с наличием деталей, необходимых для проведения прошивки сплошной заготовки.

Инструмент гидравлических прессов условно делится на детали подвижного узла и детали неподвижного узла. К неподвижному узлу при прямом прессовании относят контейнер и устройство для крепления матриц, которые в процессе выдавливания изделий нс перемещаются с прессуемым металлом.

В состав подвижного узла входят прссс-штемпсль, прссс-шайба, иглодержатель и игла. Подобное разделение инструмента целесообразно для анализа условий его работы, способов крепления и обслуживания.

При рассмотрении вопросов стойкости и долговечности инструмента тяжелонагруженный рабочий инструмент для горячего прессования металлов можно разделить на две группы.

Схема инструментальной наладки для прямого прессования на горизонтальном прессе

Рис. 5.21. Схема инструментальной наладки для прямого прессования на горизонтальном прессе: 1 - пресс-штемпель; 2 - пресс-шайба; 3 - заготовка; 4 - внутренняя втулка контейнера; 5 - матрица; 6 - матрицедержатель

В первую группу включают детали, непосредственно контактирующие в процессе прессования с металлом: иглы, матрицы, пресс-шайбы, матрицедержатели и внутренние втулки контейнеров. Ко второй группе относят промежуточные и наружные втулки контейнеров, прссс-штсмпсли, головки матрицедержателей или матричные доски, которые в непосредственный контакт с прессуемым металлом не вступают.

В наиболее тяжелых условиях работает инструмент первой группы, подвергающийся высоким напряжениям (до 1 000-1 500 МПа), циклическим знакопеременным нагрузкам, воздействию высоких температур, сопровождаемому резкими тсплосмснами и перепадом температур, интенсивному абразивному воздействию деформируемого металла и пр.

Особенности эксплуатации инструмента, относящегося к первой группе, объясняются тем, что затраты на инструмент данной группы могут достигать 70 - 95 % от всех затрат на рабочий инструмент типового пресса. Здесь рассмотрены основные конструкции деталей, входящих в прессовый инструмент.

Контейнер служит приемником нагретого слитка. В процессе выдавливания он воспринимает полное давление со стороны прессуемого металла в условиях интенсивного трения при высокой температуре. Для обеспе-

чсния достаточной стойкости контейнеры изготовляют составными из двух -четырех втулок. По габаритам контейнер - это самая крупная деталь сборки прессового инструмента, масса которого может достигать 100 т. Типовая конструкция трехслойного контейнера представлена на рис. 5.22.

1 2

Контейнер

Рис. 5.22. Контейнер: 1 - внутренняя втулка; 2 - средняя втулка; 3 - наружная втулка; 4 - отверстия для медных стержней нагревателя контейнера

Матрицедержатель запирает выходную сторону контейнера и входит в соединение с ним по конусной поверхности. В центральной части матри-цедержателя размещено гнездо для посадки матрицы. Матрицы устанавливают либо с торца матрицедержателя либо с его внутренней стороны. Коническая поверхность сопряжения матрицедержателя с контейнером испытывает большие нагрузки, поэтому матрице-держатели изготовляют из жаропрочных штамповых сталей с высокими прочностными характеристиками

(38ХНЗМФА, 5ХНВ, 4Х4НВФ и др.).

Пресс-штемпель передает усилие от главного цилиндра к прессуемому металлу и воспринимает полную нагрузку от давления прессования. Для предохранения торца пресс-штемпеля от контакта с нагретой заготовкой используют сменные пресс-шайбы, которые не скреплены с пресс-штемпелем и после каждого цикла прессования удаляются из контейнера вместе с пресс-остатком для разделения и использования в следующем цикле. Исключение составляет полунепрерывное прессование, при котором пресс-шайба закреплена на пресс-штемпеле и после окончания цикла возвращается в исходное положение через полость контейнера. Исходя из условий работы пресс-штемпели изготовляют из кованых легированных сталей, имеющих высокие прочностные характеристики (38ХНЗМФА, 5ХНВ, 5ХНМ, 27Х2Н2МВФ).

В практике прессования используют прутковые и трубные пресс-штемпели. Пресс-штемпели сплошного сечения применяют для прессования сплошных профилей,а также труб на прутково-профильных прессах с подвижной оправкой, закрепленной на пресс-штемпеле и перемещающейся вместе с ним. Конструкция пресс-штемпелей показана на рис. 5.23.

На нерабочем торце пресс-штемпеля имеется хвостовик, служащий для крепления пресс-штемпсля к прессующей траверсе пресса. Пресс-штемпели изготовляют как цельными, так и сборными. Применение сборных прссс-штемпелеи позволяет использовать для их изготовления поковки меньшего диаметра.

Основное назначение рабочих пресс-шайб заключается в том, чтобы исключить непосредственный контакт пресс-штемпеля и нагретой заготовки. Пресс-шайбы в процессе деформации воспринимают полное давление прессования и подвергаются циклическому температурному нагружению, поэтому их изготовляют из поковок штамповых сталей (5ХНМ, 5ХНВ, 4Х4ВМФС, ЗХ2В8Ф и др.).

Пресс-штемпели

Рис. 5.23. Пресс-штемпели: а - сплошной; б - полый

Иглодержатель предназначен для закрепления иглы и передачи усилия к ней от подвижной траверсы прошивного устройства, к штоку которого он крепится резьбовым участком.

Инструмент для прошивки заготовки называется иглой, а для формирования внутренней полости в трубах и полых профилях - оправкой. Иногда эти функции выполняет один инструмент. При прессовании полой заготовки оправку крепят в пресс-штемпеле (прессование с подвижной иглой на прутково-профильном прессе) или в иглодержателе (прессование на трубопрофильном прессе с прошивной системой). При прессовании полых профилей из сплошной заготовки игла-оправка является составной частью комбинированной матрицы.

Для изготовления игл применяют такие стали, как ХН62МВКЮ, ЖС6К, 5ХЗВЗМФС, ЗХ2В8Ф, 4Х4ВВМФС, ЗХ2В8Ф, и др. На рис. 5.24 схематически представлены иглы вертикальных и горизонтальных прессов, применяемые при прессовании труб и профилей постоянного поперечного сечения.

б

Рис. 5.24. Иглы: а - вертикального пресса; б - горизонтального пресса

Деталь прессового инструмента, которая при прессовании обеспечивает получение профиля требуемых размеров и качество его поверхности, называется матрицей. Обычно матрицу выполняют в виде диска с прорезанным в нем каналом, форма поперечного сечения которого должна соответствовать сечению прессуемого профиля. Диаметр матрицы зависит от размеров контейнера и заготовки, а толщину матрицы выбирают исходя из конструктивных и технологических соображений.

Матрица работает в исключительно тяжелых условиях действия высоких температур и удельных усилий при минимальных возможностях смазки и охлаждения. Эту деталь считают наиболее ответственной и наиболее подверженной износу из всех деталей, входящих в сборку прессового инструмента. По количеству отверстий матрицы бывают одно- и многоканальными. Количество отверстий в матрице определяется видом изделия и необходимой производительностью пресса. По конструкции матрицы делят на две группы: первая предназначена для получения изделий сплошного поперечного сечения или полых профилей, прессуемых трубным методом из полой заготовки, а вторая служит для прессования полых профилей из сплошной заготовки и представляет собой сочетание матрицы с оправкой (комбинированная матрица). Матрица формирует контур пресс-изделия и определяет точность его размеров и качество поверхности.

Для прессования основной массы труб и прутков из цветных металлов и сплавов применяют матрицы разных типов, некоторые из которых представлены на рис. 5.25.

Типы матриц

Рис. 5.25. Типы матриц: а - плоская; б - радиальная; в - сборная:

1 - вставка; 2 - обойма; г - коническая: 3 - рабочий конус; 4 - калибрующий поясок

Поверхность обжимающей части пластической зоны матрицы со стороны входа в нее металла может иметь разную форму. Практикой установлено, что оптимальный угол входного конуса в канал матрицы составляет 60-100°. С ростом угла конуса появляются мертвые зоны, уменьшающие возможность попадания в изделие загрязненных частей слитка.

Окончательные размеры изделие получает при прохождении через калибрующий поясок, длина которого определяется видом прессуемого металла. Часто для повышения срока службы матрицу делают разъемной, а поясок выполняют из твердых сплавов.

Матрицы изготовляют из штамповых и жаропрочных сталей (ЗХ2В8Ф, 4ХЗМ2ВФГС, 4Х4НМВФ, 30Х2МФН), а матричные вставки из твердых сплавов (ВК6, ВК15, ЖС6К). Стальные матрицы располагаются непосредственно в матрицсдсржатсле. При прессовании алюминиевых сплавов матрицы подвергают азотированию для уменьшения трения и налипания.

Матрицы из твердых и жаропрочных сплавов применяются еще в виде вставок 1, устанавливаемых в обоймы 2 (рис. 5.26, в), что позволяет не только экономить дорогостоящие материалы, но и повысить стойкость матриц.

Для прессования полых профилей применяют комбинированные матрицы (рис. 5.26), конструкции которых различаются по форме и размерам сварочной зоны и геометрии рассекателя. Все конструкции комбинированных матриц в зависимости от числа одновременно прессуемых изделий делятся на одно- и многоканальные.

Комбинированные матрицы

Рис. 5.26. Комбинированные матрицы: а - матрица с выступающим рассекателем:

1 - опорная стойка; 2 - гребень рассекателя; 3 - игла; 4 - втулка матрицы; 5 - корпус; б - сборная матрица: I - рассекатель; 2 - матрица; 3 - подкладка; 4 - матрицедержа-тель; 5 - обойма; 6 - опорное кольцо; 7 - штифт; 8 - игла рассекателя

Одноканальные матрицы в зависимости от конструкции имеют разные типы рассекателей (выступающие, полуутопленные, утопленные, плоские), а также могут быть капсульными и мостиковыми. Матрица, имеющая выступающий рассекатель (рис. 5.26, а) имеет свободный доступ металла к зоне сварки. Сечение рассекателя у такой матрицы имеет форму эллипса. При прессовании через такую матрицу пресс-остаток удаляют после каждого цикла, вырывая его из матричной воронки или прессуя следующую заготовку. Эту операцию осуществляют резким отводом контейнера от матрицы.

В большинстве случаев комбинированные матрицы выполняются сборными (рис. 5.26, б). Это облегчает их обслуживание и дает возможность снизить затраты на их изготовление.

Оборудование и инструмент для прессования постоянно совершенствуются, что позволяет повышать эффективность данного вида обработки металлов давлением.

Основы технологии прессования

Построение технологического процесса прессования включает: выбор способа прессования; расчет параметров заготовки (форма, размеры и способ подготовки к прессованию); обоснование способа и температурного интервала нагрева заготовок; расчеты скорости прессования и истечения, а также усилия прессования; выбор вспомогательного оборудования для термической обработки, правки, консервации, а также назначение операции контроля качества пресс-изделий.

В технологии прессования в первую очередь анализируют чертеж поперечного сечения заданного пресс-изделия и выбирают вид прессования и соответствующий ему тип оборудования. На этом этапе в качестве исходных данных учитывают марку сплава, сдаточную длину профиля, согласовывая все расчеты с такими нормативными документами, как технические условия на прессованные профили, составленные на основании действующих государственных и отраслевых стандартов, а также дополнительных требований, согласованных между поставщиком и потребителем.

Для выбора способа прессования и его разновидности необходимо провести анализ исходных данных и требований к продукции с учетом объема производства и состояния поставки продукции заказчику. При анализе следует также оценить технические возможности имеющегося прессового оборудования, а также пластичность прессуемого металла в состоянии прессования.

В практике прессового производства наиболее часто используют прямое и обратное прессование. Для профилей большой сдаточной длины и с минимальной величиной структурной неоднородности целесообразно применение обратного способа прессования. Во всех остальных случаях используют прямой способ, особенно для изделий большего поперечного сечения, вплоть до размеров, приближающихся к размерам поперечного сечения втулки контейнера.

Типовая технологическая схема, применяемая при прессовании профилей, прутков и труб из термически упрочняемых алюминиевых сплавов на горизонтальных гидравлических прессах, показана на рис. 5.27.

Типовая технологическая схема прессования пресс-изделий из термически упрочняемых алюминиевых сплавов

Рис. 5.27. Типовая технологическая схема прессования пресс-изделий из термически упрочняемых алюминиевых сплавов

Заготовка для прессования может быть литой или деформированной, и ее параметры определяют из суммы масс пресс-изделия и отходов на прессовом переделе. Диаметр заготовки вычисляют исходя из площади поперечного сечения пресс-изделия, допустимой для прессуемого сплава вытяжки применительно к виду заготовки (слиток или деформированный полуфабрикат), и усилия пресса. Для пресс-изделий, которые не подвергаются дальнейшей деформации, минимальная вытяжка должна быть не менее 10, а для пресс-изделий, подвергающихся дальнейшей обработке давлением, эта величина может быть уменьшена примерно до 5. Максимальная вытяжка определяется усилием пресса, стойкостью прессового инструмента и пластичностью прессуемого металла. Чем выше пластичность, тем больше максимально допустимая вытяжка. Заготовки для прессования прутков и труб имеют обычно отношение длины к диаметру 2-3,5 и 1-2,0, соответственно. Это объясняется тем, что применение длинных заготовок при прессовании труб приводит к значительному увеличению их разно-стенности.

В качестве заготовки для прессования в большинстве случаев используются слитки. Например, для получения слитков из алюминиевых сплавов в настоящее время широкое распространение получил метод полунепрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор. Полученные таким способом слитки отличаются лучшим качеством структуры и поверхности. Слитки для изделий повышенного качества после отливки подвергаются гомогенизационному отжигу, после которого структура заготовок становится однородной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенсифицировать последующий процесс прессования и уменьшить технологические отходы.

Обточкой и отслаиванием слитков удается устранить поверхностные дефекты литейного происхождения. Однако происходящий затем нагрев слитков приводит к образованию слоя окалины, снижающего качество пресс-изделий. В связи с этим одним из эффективных является метод горячего скальпирования заготовок, заключающийся в том, что слиток после нагрева проталкивается через специальную скальпирующую матрицу, диаметр которой меньше диаметра слитка на величину скальпируемого поверхностного слоя (рис. 5.28).

12 3 4 5 6 7 8 9

I 1 I I / / !

Схема скальпирования слитков

Рис. 5.28. Схема скальпирования слитков: 1 - пресс-штемпель; 2 - призма подающего устройства; 3 - слиток; 4 - обжимная направляющая втулка; 5 -скальпируемый слой; 6 - скальпирующая матрица; 7 - узел крепления скальпирующей матрицы; 8 - выходная направляющая; 9 - отводящий рольганг

Скальпирование осуществляют либо на отдельных установках, расположенных между прессом и нагревательным устройством, либо непосредственно на входе в контейнер пресса.

Температура металла при прессовании должна выбираться с учетом того, чтобы в очаге деформации металл находился в состоянии максимальной пластичности. Алюминий и его сплавы прессуют при температурах 370-500 °С, медь и ее сплавы при 600-950 °С, титановые и никелевые сплавы при 900-1 200 °С, а стали - при 1 100-1 280 °С,

Температура металла при прессовании и скорость истечения являются главными технологическими параметрами процесса. Обычно оба эти параметра объединяются в одно понятие температурно-скоростной режим, который определяет структуру, свойства и качество пресс-изделий. Строгое соблюдение температурно-скоростного режима является основой для получения изделий высокого качества. Особенно важно это для прессования алюминиевых сплавов, которые прессуются со скоростями, значительно меньшими, чем медные сплавы.

Основными видами термообработки пресс-изделий являются: отжиг, закалка, старение.

После прессования и термообработки пресс-изделия могут иметь искажения по длине и по сечению. Для устранения искажения формы пресс-изделий применяют правильно-растяжные машины, косовалковые трубоплавильные машины, роликовые правильные машины.

Для придания пресс-изделиям товарного вида выполняется обработка их поверхности, в результате чего удаляются смазочные материалы, окалина и различные поверхностные дефекты. Особое место в этих операциях, называемых отделочными, отводится травлению. Для ряда пресс-изделий, в основном из алюминиевых сплавов, проводится анодирование (процесс создания плёнки на поверхности пресс-изделий путём поляризации в проводящей среде) для декоративных целей, а также в качестве защитного покрытия. Технологический процесс анодирования пресс-изделий состоит из операций обезжиривания, травления, промывки, осветления, собственно анодирования, сушки и нанесения анодной пленки.

Резка пресс-изделий на мерные длины и вырезка образцов для механических испытаний производятся различными способами. Наиболее распространена резка на дисковых пилах отрезными фрезами.

Большинство пресс-изделий после резки и приемки службой отдела технического контроля консервируется и упаковывается в тару. Смазанную пачку пресс-изделий укладывают в плотный конверт из промасленной бумаги, что устраняет непосредственный контакт металла с деревом и проникновение влаги к металлу.

Контрольные вопросы и задания к главе 5

  • 1. Дайте определение термина «прессование» и объясните сущность этого процесса.
  • 2. Какая схема напряженного состояния реализуется при прессовании в очаге деформации?
  • 3. Перечислите и прокомментируйте преимущества и недостатки процесса прессования по сравнению с сортовой и трубной прокаткой.
  • 4. Перечислите наиболее целесообразные области применения прессования.
  • 5. По каким формулам можно подсчитать коэффициент вытяжки при прессовании?
  • 6. Как связаны между собой относительная степень деформации и коэффициент вытяжки?
  • 7. Каким образом, зная скорость прессования, можно определить скорость истечения?
  • 8. Перечислите основные способы прессования.
  • 9. Опишите особенности прямого прессования.
  • 10. В чем преимущества обратного прессования по сравнению с прямым?
  • 11. Что такое полунепрерывное прессование?
  • 12. Какая особенность конструкции у пресс-шайбы при полунепрерывном прессовании?
  • 13. Опишите принцип непрерывного прессования по способу кон-

форм.

  • 14. На какие стадии разбивают процесс прессования?
  • 15. Опишите схему образования пресс-утяжины при прессовании.
  • 16. Перечислите основные закономерности, определяющие величину пресс-остатка.
  • 17. Какими приемами снижают величину пресс-остатка при прессовании?
  • 18. Для чего служит игла-оправка при прессовании труб?
  • 19. Проведите сравнение прессования труб по прямому и обратному способам.
  • 20. Как организован процесс прессования труб со сваркой?
  • 21. Опишите инструментальную наладку при прессовании труб через одноканальную комбинированную матрицу.
  • 22. В чем особенность конструкции комбинированной матрицы?
  • 23. Перечислите особенности прессования через многоканальную матрицу.
  • 24. В каких случаях целесообразна замена одноканального прессования на многоканальное?
  • 25. Приведите формулу для подсчета коэффициента вытяжки при многоканальном прессовании.
  • 26. Для чего необходимо определение силовых условий прессования?
  • 27. Какие существуют методы определения силовых условий прессования?
  • 28. Опишите основные экспериментальные методы определения силовых условий прессования, их достоинства и недостатки.
  • 29. Назовите и опишите аналитические методы оценки усилия прессования.
  • 30. Из каких составляющих складывается полное усилие пресса?
  • 31. Назовите основные факторы, влияющие на величину усилия прессования.
  • 32. Перечислите основные принципы, по которым выбирают скорости прессования.
  • 33. Опишите типовую конструкцию гидропрессовой установки.
  • 34. Какие виды гидравлических прессов применяются для прессования?
  • 35. Объясните принцип работы гидравлических прутково-профильного и трубопрофильного прессов.
  • 36. Что входит в комплект прессового инструмента?
  • 37. Опишите назначение и конструкцию контейнера.
  • 38. Какие стали применяются для изготовления прессового инструмента.
  • 39. Какие типы матриц применяются для прессования?
  • 40. Каков порядок разработки технологического процесса прессования?
  • 41. Какие операции входят в технологическую схему прессования алюминиевых пресс-изделий?
  • 42. Как проводят правку пресс-издслий?
  • 43. Для чего проводят анодирование пресс-изделий из алюминия?
 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >