Оборудование и технология прессования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРЕССОВАНИЯ

Курсовая работа по дисциплине «Обработка металлов давлением»

Студент А.Е. Кузнецова

гр. ЭМ-390202

2011

Содержание

Введение

1. Общие понятия о прессовании и схемы прессования

2. Основные параметры процесса прессования

3. Виды прессов и их классификация

4. Технология прессования алюминия и его сплавов

5. Производительность прессования

Заключение

Список используемых источников

Введение

Обработкой металлов давлением называются процессы получения заготовок или деталей силовым воздействием инструмента на исходную заготовку из исходного материала.

Пластическое деформирование при обработке давлением, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии.

Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия. Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.

Известны различные виды обработки металлов давлением: наиболее широко распространена прокатка, менее - ковка, штамповка, волочение и прессование. Они отличаются не только видом получаемых полуфабрикатов и применяемого металлургического оборудования, но и характером деформационных условий, которые определяют технические возможности процессов. Прессование выгодно отличается от других видов обработки тем, что позволяет осуществлять наибольшие пластические деформации и обрабатывать даже хрупкие металлы, которые разрушаются при обработке, например, прокаткой или ковкой.

В данной работе будет раскрыто понятие процесса прессования, будут представлены схемы прессования, оборудование, основные параметры, а также рассмотрено прессование алюминия и его сплавов.

прессование металл деформирование алюминий

1. Общие понятия о прессовании и схемы прессования

Процесс прессования металлов начал развиваться в конце XVII века, когда на простейших прессах было освоено прессование труб и прутков из мягкого металла - свинца. С течением времени техника прессового производства совершенствовалась - улучшались конструкции прессов и увеличивались их усилия; использовались более совершенные конструкции прессового инструмента и материалы для их изготовления; вовлекались в обработку все новые металлы и сплавы - более прочные, требующие высоких температур обработки; усложнялась форма и улучшалось качество пресс-изделий.

Прессование металлов - способ обработки давлением, заключающийся в выдавливании металла из замкнутой полости (контейнера) через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение прессуемого профиля. При прессовании металлов создаётся высокое гидростатическое давление, вследствие чего значительно повышается пластичность металла.

Прессованием можно обрабатывать многие хрупкие материалы, не поддающиеся обработке другими способами (прокаткой, ковкой, волочением). Различают следующие схемы прессования металлов:

1) Схема прессования с прямым истечением металла - схема, при которой направление движения металла совпадает с направлением движения пресс-шайбы (рис. 1).

Рис. 1- Схема прессования с прямым истечением металла 1 - пресс-изделие; 2 - матрица; 3- контейнер; 4 - заготовка; 5 - пресс-шайба; 6 -пресс-штемпель.

Отличительная черта этой схемы - передвижение заготовки относительно стенок контейнера. При отсутствии смазки на поверхности контакта заготовки и контейнера возникает интенсивное трение, которое в большой степени влияет на истечение металла, делая его более неравномерным, и, как следствие, ухудшает структуру металла пресс-изделия и его механические свойства. Заготовка (4) перед прессованием загружается в контейнер пресса (3), затем в контейнер закладывается пресс-шайба (5), пресс-штемпель (6) вводится в пресс и через пресс-шайбу передает давление на заготовку от плунжера пресса. По мере повышения давления начинается истечение металла в канал матрицы (2), который и образует поперечное сечение пресс-изделия. Истечение металла заготовки происходит до тех пор, пока в контейнере не останется сравнительно небольшая часть - пресс-остаток, длина которого определяется рядом условий. Затем с помощью специальных механизмов, расположенных на прессе, происходит разделение пресс-шайбы, матрицы, пресс-остатка и пресс-изделия. Пресс-изделие передается на дальнейшую обработку, пресс-остаток направляется в сборник для отходов, а пресс-шайба и матрица возвращаются в исходное положение. Затем начинается новый цикл прессования следующей заготовки.

Прессование с прямым истечением в настоящее время применяют наиболее широко для получения изделий сплошного поперечного сечения - профилей, прутков и панелей и для изготовления полых изделий - труб, полых профилей, имеющих разнообразные конфигурации внутреннего и наружного контура.

2) Схема прессования с обратным истечением металла - схема, при которой металл течёт навстречу движению матрицы, которая выполняет также функции пресс-шайбы.

Отличительная черта прессования с обратным истечением (рис. 2) - почти полное отсутствие взаимного перемещения и трения между выпрессовываемой заготовкой и контейнером и, как следствие, отсутствие потерь энергии пресса на преодоление трения. Эти условия в корне меняют характер истечения металла и благоприятно сказываются на температурно-скоростных и силовых режимах процесса, а также на качественных характеристиках отпрессованных изделий.

Рис. 2 - Схема прессования с обратным истечением металла 1 - пресс-изделие; 2 - полый пресс-штемпель; 3 - контейнер; 4 - матрица; 5 - заготовка.

При прессовании с обратным истечением силовое воздействие на заготовку осуществляется через контейнер, получающий движение в направлении, указанном стрелкой, через укороченный пресс-штемпель - пробку, запирающую контейнер. С другой стороны контейнер запирается удлинённым матрицедержателем, в котором закреплена матрица. При перемещении контейнера вместе с ним перемещается заготовка, и металл выдавливается в канал матрицы, образуя профиль.

3) Схема прессования, при которой металл течет перпендикулярно движению пресс-шайбы.

Существуют и другие способы прессования: труб из сплошной заготовки с предварительной прошивкой её иглой; сплошных и полых профилей плавно-переменного или ступенчато-переменного сечения; широких ребристых листов (панелей) из плоского (щелевого) контейнера и т.д. Промышленное применение находит также гидростатическое прессование металлов (гидроэкструзия), при котором давление на заготовку передаётся через жидкость. При этом способе силовое поле создаётся жидкостью высокого давления, подаваемой в контейнер от внешнего источника, или давлением на жидкость уплотнённого пресс-штемпеля.

Прессование металлов осуществляется как с предварительным нагревом заготовки и инструмента, так и без нагрева. Холодное прессование (без нагрева) используют при обработке легкодеформируемых металлов (олова, свинца, чистого алюминия). Холодное гидростатическое прессование вследствие весьма высоких давлений и отсутствия трения заготовки о поверхность контейнера позволяет обрабатывать и более труднодеформируемые металлы и сплавы (медные сплавы, стали). Горячим прессованием получают изделия из различных металлов и сплавов: алюминиевых, титановых, медных, никелевых, а также тугоплавких металлов. Наиболее высокие температуры нагрева заготовок (до 1600-1800 °С) используют при прессовании вольфрама и молибдена.

Основные преимущества прессования в сравнении с другими методами получения деформированных изделий относятся:

o повышение пластичности металла;

o возможность вести прессование с большими деформациями и получать пресс-изделия разнообразной и сложной конфигурации поперечного сечения за один переход;

o прессование хрупких и труднообрабатываемых металлов и сплавов;

o сравнительно высокая точность геометрии пресс-изделий;

o возможность быстрого перевода процесса с прессования одного типа профиля на другой путем замены в основном только матрицы;

o высокая мобильность процесса.

К недостаткам процесса прессования относятся:

o цикличность, прерывность процесса;

o относительно невысокий выход годного металла, который обусловливается необходимостью оставлять пресс-остаток и удалять концевую обрезь на пресс-изделиях;

o повышенная неравномерность деформации, а также структуры и механических свойств металла по длине и поперечному сечению пресс-изделий;

o ограниченная скорость истечения при прессовании некоторых сплавов, в частности высокопрочных алюминиевых;

o высокая стоимость инструмента и в ряде случаев сравнительно низкая его стойкость.

Виды изделий, которые получают прессованием - профили различных сечений, прутки, трубы, панели. Собирательно их называют пресс-изделиями или просто профилями. Прессование позволяет получать сплошные профили с площадью сечения 0,3-1500 см² и диаметром описанной окружности 1,5-90 см; круглые прутки диаметром 0,6-60 см;трубы диаметром 0,8-120 см с толщиной стенки 0,1-10 см.

2. Основные параметры процесса прессования

Известны различные виды обработки металлов давлением: наиболее широко распространена прокатка, менее - ковка, штамповка, волочение и прессование. Они отличаются не только видом получаемых полуфабрикатов и применяемого металлургического оборудования, но и характером деформационных условий, которые определяют технические возможности процессов. Прессование выгодно отличается от других видов обработки тем, что позволяет осуществлять наибольшие пластические деформации и обрабатывать даже хрупкие металлы, которые разрушаются при обработке, например, прокаткой или ковкой.

Для характеристики силовых условий процесса существует такое понятие, как напряжение. Напряжение связано с величиной приложенной нагрузки и возможностью наступления пластической деформации. Оно определяется как частное от деления силы, передаваемой на металл от технологического инструмента, на величину поперечного сечения заготовки, к которой эта сила приложена; напряжение измеряется в Паскалях (Па).

Если напряжение в металле достигает некоторого определенного значения, характерного для данного металла и условий деформации, то металл начинает пластически деформироваться и приобретает форму, которая задается инструментом. Сопротивление деформации - одна из важнейших характеристик металла при рассмотрении его способности к пластическому деформированию. Оно изменяется в зависимости от условий обработки: в первую очередь от температуры и скорости деформации. Чем выше сопротивление деформации, тем больше должно быть напряжение для осуществления начала пластической деформации.

Наиболее применяемая характеристика процесса прессования - вытяжка, равная безразмерной величине - частному от деления площади поперечного сечения заготовки на площадь сечения полуфабриката. Вытяжку в технической литературе чаще всего обозначают греческой буквой µ (мю). Вытяжка определяется по формуле:

,

где где F_H - начальная площадь поперечного сечения заготовки; F_K - площадь поперечного сечения пресс-изделия. Применяют и так называемый интегральный показатель деформации, равный натуральному логарифму от вытяжки µ, т.е. ln µ.

Скоростные характеристики процесса прессования выражаются чаще всего скоростью прессования, т.е. скоростью движения инструмента, в данном случае пресс-штемпеля и пресс-шайбы. Скорость прессования обозначают V_п (мм/мин или мм/с). Скорость прессования равна также усредненной скорости движения металла заготовки. Подлинная скорость движения отдельных частиц металла по поперечному сечению заготовки неравномерна и изменяется от центра к периферии, а также от выходного к утяжинному концу.

Другая скоростная характеристика - скорость истечения полуфабриката из канала матрицы; она обозначается V_ист и измеряется в м/мин. Например, для алюминиевых сплавов скорость истечения, в основном зависимая от марки сплава, но также и условий прессования, может изменяться в широких пределах - примерно от 1 до 75 м/мин. Скорость прессования и скорость истечения связаны между собой соотношением

V_ист = µ• V_п.

Условия истечения металла. Для того чтобы управлять процессом прессования и найти пути улучшения качества прессованных полуфабрикатов, необходимо представлять условия передвижения металла в контейнере и истечения его из канала матрицы. Первая, начальная стадия характеризуется возрастанием давления рабочей жидкости в цилиндре пресса. В это время, в связи с тем, что заготовка вводится в контейнер с неизбежным зазором, происходит ее осадка и распрессовка по контейнеру, в результате чего все зазоры заполняются металлом, контейнер замыкается прессуемым металлом, который затем входит в канал матрицы. На этой стадии происходит по существу свободная осадка заготовки, на заготовке образуется «бочка». Правда, бочкообразность ее невелика, она ограничивается стенками контейнера, а зазор между стенкой и заготовкой - 2-3 % от диаметра контейнера. Тем не менее, образование бочки влечет за собой возникновение замкнутых объемов в передней части контейнера, которые обычно заполнены воздухом. Эти воздушные «мешки» при некоторых разновидностях прессования, например без удаления пресс-остатка, могут быть причиной образования различных дефектов в отпрессованном полуфабрикате.

Вторая стадия - основная - начинается с выдавливания профиля, она проходит при относительно установившемся течении металла; по мере выдавливания заготовки и уменьшения величины поверхности контакта заготовки с контейнером давление прессования снижается, так как снижается величина той доли усилия пресса, которое идет на преодоление трения по контейнеру.

Важно знать особенности деформации металла именно во второй стадии процесса, когда происходит выпрессовывание основной части длины профиля. В это время в металле заготовки образуются отдельные 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 - упруго.

Относительная величина упругих и пластических объемов основной части заготовки зависит от контактных условий, т.е. от величины трения в месте контакта поверхностей заготовки и контейнера. Если это трение велико, то пластической деформации подвергается почти весь объем заготовки; если же трение незначительно, то пластическая деформация сосредоточивается в обжимной части пластической зоны (ОЧПЗ) вокруг оси матрицы. Выше верхней границы ОЧПЗ металл находится в упругом состоянии. Сравнительно небольшие упругие зоны возле матрицы оказывают значительное влияние на ход истечения металла и качество отпрессованной продукции. Они образуются вследствие различия условий движения металла.

Для процесса прессования характерна неравномерность деформации металла и по сечению, и по длине заготовки. Неравномерность проявляется в изменении ячеек координатной сетки.

В конце основной стадии возникает и другое явление, имеющее большое влияние на весь процесс, - образование пресс-утяжины. По мере продвижения пресс-шайбы к матрице вследствие трения движение частей металла, контактирующих с пресс-шайбой, затормаживается, а в центральной части заготовки, по аналогии с вытекающей из цилиндрического сосуда через отверстие малого диаметра жидкости, образуется воронка - полость. Вследствие того, что в полости часто находятся различные загрязнения, попадающие туда с торца и боковой поверхности заготовки, металл в полости не сваривается. При некоторых условиях пресс-утяжина может проникнуть в пресс-изделие. В качественном пресс-изделии наличие пресс-утяжины недопустимо. Формирование пресс-утяжины - наиболее характерное явление заключительной - третьей - стадии прессования.

Для того чтобы полностью исключить образование пресс-утяжины в металле пресс-изделия, прессование заканчивают до полного завершения выдавливания заготовки. Недопрессованная часть заготовки - пресс-остаток - удаляется в отход. В пресс-остатке остаются металл, находившийся в мертвых зонах, разливочные загрязнения, большая часть металла с пресс-утяжиной. 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 профиль, то эту часть профиля отделяют и удаляют в отход.

Для того чтобы представить механизм образования возможных дефектов, причины разрушения металла и определить условия получения качественного пресс-изделия, необоходимо знать какие силы действуют на металл, находящийся в различных участках пластически деформируемой заготовки. Известны различные способы устранения или уменьшения возможности образования растягивающих напряжений и возникновения поверхностных трещин. Например, применение смазки заготовки при прямом прессовании значительно снижает контактное трение в контейнере. Это приводит к тому, что условия истечения металла, его напряженное состояние заметно изменяются: металл до входа в обжимающую часть пластической зоны деформируется в основном упруго; мертвая зона уменьшается в объеме; уменьшаются дополнительные напряжения и возможность возникновения растягивающих напряжений в периферийных объемах металла становится гораздо меньше; уменьшается пресс-утяжина, поэтому длина пресс-остатка может быть уменьшена.

Снижение действия тормозящих сил трения при прессовании со смазкой выражается в том, что поверхностные трещины при прочих равных условиях появляются при скоростях истечения в 2-4 раза больше, чем без смазки.

Примерно так же, как при прессовании со смазкой, меняется напряженно-деформированное состояние металла при прессовании с обратным истечением, при котором контактное трение между заготовкой и контейнером практически отсутствует. Меньшая неравномерность деформации выражается в меньшем искривлении поперечных линий координатной сетки. Наружные слои заготовки не скапливаются в упругой зоне, а участвуют в течении металла и переходят из заготовки в пресс-изделие. При этом если в наружных слоях заготовки имеются какие-либо дефекты или загрязнения, то они перейдут в пресс-изделие. Поэтому при обратном прессовании требования к качеству поверхности заготовки и поверхности контейнера должны быть более высокими, чем при прямом. Заключительная стадия процесса вследствие отсутствия контактного трения почти не имеет места; влияние условий, под воздействием которых образуется центральная пресс-утяжина, значительно ослаблено. Поэтому длина пресс-остатка при обратном прессовании по сравнению с длиной при прямом прессовании значительно меньше и составляет 8-15 % диаметра заготовки.

Температурно-скоростные условия. Знать характер распределения температуры по объему прессуемой заготовки и пресс-изделия, величины наибольших температур в различных сечениях применяемого инструмента - необходимые условия для правильного построения технологического процесса, получения качественного бездефектного пресс-изделия и обеспечения устойчивой работы прессового инструмента. Температурно-скоростные условия прямо влияют на производительность прессовой установки.

По температурным условиям рассматриваемые нами легкие сплавы можно разделить на две группы:

1) алюминиевые и магниевые сплавы, которые обычно прессуют при 300-500 °С;

2) титановые сплавы, для большинства которых температурный диапазон прессования равен 900-1150 °С.

Распределение температур по объему заготовки и ее изменение в процессе прессования может быть неравномерным и значительно отличаться от средней температуры, которую заготовка имеет при выходе из нагревательной печи. Эти изменения необходимо знать, так как для многих прессуемых сплавов существуют предельные температуры, превышение которых может привести к нежелательным последствиям, например снижению пластичности и возможному разрушению металла, проявляющемуся в виде поверхностных трещин, уменьшению скоростей истечения, ухудшению качества поверхности пресс-изделий. При температурах ниже установленных для данного сплава, повышается сопротивление деформации, давление прессования и нагрузки на прессовый инструмент. Последнее особенно опасно, так как может вызвать разрушение инструмента.

Кроме того, изменение температурно-скоростных условий прессования влияет на уровень механических свойств, структуру и некоторые другие свойства сплавов.

Еще при нагреве заготовки в печи возможно неравномерное распределение температуры по ее объему. Оно зависит от способа и условий нагрева и теплопроводности сплава. Особое значение выбор способа нагрева имеет для сплавов с низкой теплопроводностью, например титановых, которые на порядок менее теплопроводны, чем алюминиевые сплавы. При нагреве, за исключением отдельных специальных случаев, следует добиваться равномерного распределения температуры в заготовках. Поэтому сплавы с низкой теплопроводностью обычно следует нагревать медленнее и подвергать выдержке для выравнивания температур по объему металла.

При прессовании около 90-95 % приложенной к заготовке энергии пресса переходит в тепло. Это тепло вызывает местный разогрев металла в отдельных объемах заготовки в результате чего физическая температура ее может существенно возрасти. Одновременно с привнесением дополнительного тепла происходит и рассеивание его через инструмент, который чаще всего имеет более низкую температуру, чем прессуемая заготовка; особенно интенсивно передача тепла от заготовки в инструмент происходит при прессовании титановых сплавов, когда перепад температур между обрабатываемым металлом и инструментом достигает 500 °С и выше. Поэтому распределение температуры по сечению и длине заготовки или, как говорят, температурное поле, представляет собой довольно сложную картину, причем его неравномерность усиливается по мере повышения температуры прессования.

По характеру изменения температуры металла процессы прессования можно разделить на три вида:

1) Приход тепла превышает его расход и температура от начала к концу прессования повышается. Такие условия возникают при прессовании алюминиевых сплавов, когда начальная температура заготовки ниже обычной, применяемой при горячем прессовании, а сопротивление деформации больше; при этом прессование требует приложения более высокой энергии, в результате чего тепла выделяется больше;

2) Приход тепла меньше расхода и прессование идет с понижением температуры металла и соответственно увеличением требуемого давления. Это может происходить, если температура заготовки относительно высока, между заготовкой и инструментом значительный температурный перепад, а скорость прессования невелика или если температура металла относительно невелика, но прессование идет с особенно низкими скоростями;

3) Приход тепла равен его расходу и прессование называют изотермическим. При этом температура заготовки и контейнера одинакова. В таких условиях неравномерность деформации снижается, а это положительно сказывается на структуре пресс-изделия: она становится более равномерной. Как следствие, более равномерными по сечению пресс-изделия становятся и его механические свойства. Когда температура заготовки и контейнера одинакова, можно создать условия прессования, при которых температура пресс-изделия может быть одинаковой и по всей его длине. При этом стабильность механических свойств пресс-изделий также повышается и появляется возможность закаливать на столе пресса профили из сплавов, имеющих узкий температурный интервал закалки. Наиболее близко к осуществлению в промышленных масштабах изотермическое прессование алюминиевых сплавов.

Для получения наилучших условий прессования температуру металла необходимо регулировать. Это осуществляют различными способами. Наиболее распространенный способ - изменение скорости истечения, так как скорость истечения и температура металла взаимосвязаны. Это объясняется тем, что при прессовании через инструмент, имеющий более низкую температуру, чем нагретая заготовка, увеличение скорости истечения означает сокращение времени охлаждения металла, в результате чего температура металла повышается. Наоборот, уменьшение скорости истечения приводит к снижению температуры выпрессовываемого металла. Если накоплено достаточно экспериментальных данных по взаимозависимости температуры металла и скорости истечения, то целесообразнее автоматизированное управление изменением скорости прессования (рис. 3).

Рис. 3 - Схема автоматизированного регулирования скорости процесса прессования 1 - прибор для замеры температуры пресс-изделия; 2 - исполнительный механизм, регулирующий скорость прессования.

Оно осуществляется компьютером, с помощью перфоленты, которая представляет собой программу регулирования скорости движения плунжера и пресс-штемпеля пресса.

Иногда практикуется метод регулирования температуры и скорости истечения путем нагрева заготовки до заведомо более низких температур. Обычно это делают при прессовании высокопрочных медленнопрессуемых алюминиевых сплавов. Снижение начальной температуры заготовки открывает гораздо более широкие возможности для роста скоростей истечения и увеличения тем самым производительности прессовой установки; при этом промежуток между начальной температурой металла и его критической температурой, в котором можно повышать скорость истечения, становится значительно большим.

Трение и смазки. Трение при обработке металлов давлением отличается от трения в узлах машин тем, что происходит одновременно с пластической деформацией в контактном слое. Для прессования характерны высокие нормальные давления на поверхности контакта прессуемого металла с инструментом, превышающие сопротивление деформации в 10 раз, а иногда и больше. Кроме того, характерны интенсивное образование новых поверхностей подвергаемого деформации металла вследствие обычно применяемых больших вытяжек и повышенная вероятность сцепления прессуемого металла с инструментом.

Смазки, применяемые при прессовании, должны удовлетворять следующим требованиям:

1) выдерживать высокие давления и удерживаться на контактных поверхностях, т.е. обладать необходимой вязкостью к прессуемому металлу и содержать поверхностно-активные вещества;

2) иметь высокие антифрикционные свойства;

3) при высокотемпературном прессовании ряда металлов и сплавов иметь не только антифрикционные, но и теплоизолирующие свойства;

4) легко наноситься на заготовку до начала прессования и удаляться с поверхности пресс-изделия;

5) не вступать в нежелательные реакции с обрабатываемым металлом; быть нетоксичными, недефицитными и недорогими.

Смазки, которые удовлетворяли бы всем требованиям, отсутствуют.

Силовые условия процесса. В процессе прессования, особенно при прямом прессовании без смазки, вследствие изменения объема заготовки, сокращения контактной поверхности трения, изменения температуры металла и скорости его истечения силовые условия заметно изменяются во времени. Соответственно им изменяется полное усилие прессования, передаваемое на металл через пресс-штемпель. Зависимость между величиной усилия прессования и ходом пресс-штемпеля, выраженная в виде графика, называется индикаторной диаграммой. Эта зависимость одна из важнейших характеристик процесса. На рис. 4 для сравнения показаны одновременно две индикаторные диаграммы прямого и обратного прессования одного и того же профиля. Из диаграмм видно, что прямое прессование профиля без смазки требует значительно большего усилия, чем обратное, и существенно изменяется по ходу процесса. Это изменение усиливает неравномерность деформации.

Рис. 4 - Типичные индикаторные диаграммы процессов прессования 1 - прямого; 2 - обратного; Н - начала истечения заготовки; К - конец истечения заготовки.

Усилие прессования - величина, которую можно рассчитать. Разработаны многие формулы для расчета полного усилия прессования, а также графические методы определения искомых сил. Наибольшую известность получила относительно простая формула И.Л. Перлина. Она разработана для расчета усилий прессования различных пресс-изделий. В общем виде она представляет собой выражение

Р = Т_кр + Т_м + R_м +T_п + Т_ш + Q,

где Р - полное усилие прессования; T_кр - сила, затрачиваемая на преодоление трения, возникающего на боковых поверхностях контейнера и оправки, если она имеется; Т_м - сила, затрачиваемая на преодоление трения, возникающего на боковой поверхности обжимающей части пластической зоны или матрицы; R_м - сила, затрачиваемая на осуществление основной деформации, т.е. обжатия заготовки в матрице в условиях отсутствия контактного трения; T_п - сила, затрачиваемая на преодоление трения на поверхности рабочего пояска матрицы; Т_ш - сила, затрачиваемая на преодоление трения на пресс-шайбе; Q - сила, уравновешивающая силы противодавления или натяжения, если они приложены; сила Q может иметь отрицательный или положительный знак.

3. Виды прессов и их классификация

Гидравлический пресс представляет собой машину-орудие практически статического действия. Принцип работы гидравлического пресса основан на законе Паскаля. В общем виде пресс состоит из двух камер, снабженных поршнями (плунжерами) и соединенных трубопроводом. Если к поршню приложить силу Р₁, то под ним создается давление p = P₁/f₁. По закону Паскаля давление p передается во все точки объема жидкости и, будучи направлено нормально к основанию большого поршня, создает силу P₂ = p•f₂, которая оказывает давление на заготовку.

На основании закона Паскаля: P₂ = P₁•f₂/f₁.

Сила Р₂ во столько раз больше силы Р₁, во сколько раз площадь f₂ больше площади f₁.

Рабочий цилиндр, в котором движется рабочий поршень, закреплен в верхней неподвижной поперечине, которая при помощи колонн соединяется с неподвижной поперечиной, установленной на фундаменте. Нижняя и верхняя поперечины вместе с колоннами образуют станину пресса. Рабочий поршень соединен с подвижной поперечиной, имеющей направление по колоннам, и сообщает ей движение только в одном направлении - вниз. Для подъема подвижной поперечины установлены возвратные цилиндры с поршнями.

Прессы в зависимости от технологического назначения отличаются друг от друга конструкцией основных узлов, их расположением и количеством, а также величиной основных параметров P_H, Z , H , A•B ( Z - открытая высота штампового пространства; H - полный ход подвижной поперечины, A•B - размеры стола).

Классификация гидравлических прессов:

По технологическому назначению гидравлические прессы подразделяют на:

1) прессы для металла;

2) прессы для неметаллических материалов.

В свою очередь прессы для металла подразделяют на пять групп:

а) для ковки и штамповки;

б) для выдавливания;

в) для листовой штамповки;

г) для правильных и сборочных работ и

д) для обработки металлических отходов.

Ввиду большого многообразия типов прессов приведем значения номинальных усилий P_H, наиболее из них распространенных.

Из прессов первой группы можно назвать следующие:

1) ковочные - свободная ковка со штамповкой в подкладных штампах, Р_Н = 5-120 МН;

2) штамповочные - горячая объемная штамповка деталей из магниевых и алюминиевых сплавов, Р_Н = 10-700 МН;

3) прошивные - глубокая горячая прошивка стальных заготовок в закрытой матрице, Р_Н = 1,5-30 МН;

4) протяжные - протягивание стальных поковок через кольца, Р_Н = 0,75-15 МН.

Из второй группы прессов можно отметить:

1) прессы трубопрутковые;

2) прутково-профильные

Они предназначены для прессования цветных сплавов и стали, Р_Н = 0,4-120 МН. Прутково-профильные прессы в свою очередь делятся на горизонтальные и вертикальные.

Назначение трубопруткового пресса - горячее прессование профилей и труб из алюминиевых сплавов. Станина пресса колонного типа, расположенная горизонтально, имеет неподвижные поперечины, которые крепят на сварной раме.

В литой неподвижной поперечине установлены два кованых рабочих цилиндра, плунжеры которых соединены с подвижной поперечиной. На торце подвижной поперечины монтируют пресс-штемпель. Для прошивки заготовок при получении труб используют прошивной цилиндр, расположенный сзади рабочих цилиндров и укрепленный на специальной поперечине. Усилие противного цилиндра передается через штангу, направляемую неподвижной поперечиной. Обратный ход прошивной оправки осуществляется от возвратного цилиндра, размещенного в рабочем прошивном цилиндре.

Для увеличения усилия пресса при прессовании прутков или профилей усилие прошивного цилиндра может быть объединено с усилием рабочих цилиндров соединением штанги с подвижной поперечиной. Прошивной цилиндр развивает усилие до 50 МН.

Передняя неподвижная поперечина состоит из трех стальных отливок, стянутых болтами. В середине поперечины расположен мундштук с набором колец и матрицей. При выдавливании мундштук упирается в затворы, имеющие гидравлическое подъемное устройство. Между неподвижной и подвижной поперечинами находится контейнер в контейнеродержателях.

Особенностью конструкции пресса является наличие независимой прошивной системы, дающей прессовой установке расширенные технологические возможности. Пресс оснащен вспомогательным и транспортным оборудованием, подающим слиток из электрической печи в контейнер. Ножницы служат для отделения пресс-остатка от изделия. Имеются механизмы для удаления пресс-остатка из рабочего пространства, механизмы для удаления готовых изделий и устройство для передачи пресс-шайб. Готовые профили или трубы попадают на приемный стол пресса.

Управление основными и вспомогательными операциями осуществляют с главного пульта с помощью электромеханической следящей сервосистемы.

Привод пресса - насосно-аккумуляторный. Рабочая жидкость - вода с добавлением 2-4 % эмульсола. Наличие трех рабочих цилиндров дает возможность прессу работать с тремя ступенями усилий: 50 МН, 70 МН и 120 МН со скоростями рабочего хода до 30 мм/с.

Изображенный на рис. 5 прутково-профильный пресс работает следующим образом. Перед началом прессования рабочая жидкость подается в цилиндры привода контейнера (10), вследствие чего контейнер плотно прижимается к инструментальной доске (6), в которой закреплен матрицедержатель. Подача заготовки в контейнер осуществляется поступающей в цилиндры (15) жидкостью, плунжеры которых перемещают прессующую траверсу (16) с закрепленным на ней пресс-штемпелем (18) и главным плунжером (13). При этом цилиндр главного плунжера заполняется жидкостью низкого давления. Для подпрессовки и прессования заготовки подают жидкость под высоким давлением. На некоторых прессах жидкость под высоким давлением подается не только в цилиндр главного плунжера, но и в цилиндры (15) привода траверсы (16) для увеличения суммарной силы пресса. После окончания прессования контейнер (10) отодвигают от инструментальной доски (6), подавая жидкость в цилиндры отвода контейнера (3). Затем жидкость подают в цилиндр (7) привода ножа (8), который отделяет от пресс-изделия пресс-остаток вместе с пресс-шайбой. После снятия давления жидкости в цилиндре (7) нож (8) возвращается в исходное положение возвратными цилиндрами, где поддерживается постоянно давление во избежание самопроизвольного опускания ножа. Одновременно жидкость подается в цилиндры (14) для возвращения прессующей траверсы (16) в исходное положение. Полный ход прессующей траверсы составляет до трех длин контейнера, что позволяет совмещать по времени отделение пресс-остатка с загрузкой новой заготовки в контейнер.

Рис. 5 - Горизонтальный прутково-профильный пресс

Пресс-штемпель (18) с центрирующим кольцом установлен в подковообразном пазу прессующей траверсы, что обеспечивает удобную смену пресс-штемпеля, так как для этого достаточно ослабить гайки шпилек, и под действием пружин держатель отойдет от прессующей траверсы и создаст осевой зазор в пазу.

Контейнеродержатель (9) выполнен неразъемным, снабжен кольцевым пазом для размещения теплоизоляции и отверстиями для крепления приводных тяг (4) передвижения контейнера, установленных на задней траверсе пресса. Усилие прижима контейнера к пресс-матрице, развиваемое цилиндрами передвижения, составляет 10 %, а усилие отвода контейнера от матрицы - 12-15 % от номинального усилия пресса.

Инструментальная доска (6) может гидроприводом перемещаться в направляющих задней траверсы (2). Доска имеет два гнезда для размещения матрицедержателей. Для совмещения оси инструментальной наладки с продольной осью пресса путем горизонтального смещения доски используют упоры.

В результате большого рабочего давления, на котором работают все прессы, нередко происходят прорывы трубопроводов, течи, расход рабочей жидкости, выход из строя манжет и засорение их остатками гидросистемы, что ведет порой к несрабатыванию регулирующей аппаратуры, простоям в работе в целом. Все это является недостатками работы таких прессов.

Из третьей группы можно отметить следующие прессы:

1) листоштамповочные простого действия, Р_Н = 0,5-10 МН;

2) вытяжные - глубокая вытяжка цилиндрических деталей, Р_Н = 0,3-4 МН;

3) для штамповки резиной Р_Н = 20-200 МН;

4) для бортования, фланцевания, гибки и штамповки толстолистового материала, Р_Н = 3-45 МН;

5) гибочные - гибка толстолистового материала в горячем состоянии, Р_Н = 3-200 МН.

Из пятой группы выделяются прессы:

1) пакетировочные;

2) брикетировочные.

Они предназначены для прессования отходов типа металлической стружки и обрезков листового металла, Р_Н = 1-6 МН.

Технологическое назначение гидравлического пресса определяет конструкцию станины (колонная, двухстоечная, одностоечная, специальная), тип, выполнение и число цилиндров (плунжерный, дифференциально-плунжерный, поршневой и т. д.).

Наибольшее распространение получила четырехколонная не подвижная станина с перемещением подвижных частей в вертикальной плоскости. Иногда станину-раму пресса выполняют в подвижной.

Цилиндры плунжерного и дифференциально-плунжерного типа являются цилиндрами простого действия. Рабочий цилиндр дифференциально-плунжерного типа применяется в случае, когда через рабочий плунжер, например, должна проходить игла (трубопрутковые прессы). Цилиндры поршневого типа наиболее часто находят применение при использовании масла в качестве рабочей жидкости. В этом случае уплотнительным элементом поршня будут поршневые кольца. Цилиндр поршневого типа является цилиндром двойного действия.

У пресса с нижним расположением рабочего цилиндра и неподвижной станиной могут отсутствовать цилиндры обратного хода, в этом случае возврат подвижных частей в исходное положение происходит под действием их веса. Рабочий цилиндр соединяется при этом с наполнительным баком.

По числу рабочих цилиндров прессы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоцилиндровые.

Прессование осуществляют на горизонтальных гидравлических прессах; реже, в основном при прессовании труб и гидроэкструзии, используют вертикальные гидравлические прессы. В некоторых случаях для холодного прессования труб из легкодеформируемых металлов используют прессы с механическим приводом.

4. Технология прессования алюминия и его сплавов

Алюминий и алюминиевые сплавы прессуют в наибольших количествах. В настоящее время во всем мире производят более 3 миллионов тонн различных прессованных изделий из сплавов на основе алюминия.

Техника прессования алюминиевых сплавов по сравнению с другими сплавами находится на самом высоком уровне, она имеет мощную производственную базу, располагающую крупнейшим оборудованием и специализированными цехами. Уровень механизации и автоматизации на современных прессовых установках высок; известны полностью автоматизированные, управляемые компьютерами заводы по производству алюминиевых профилей. Теория прессования лучше всего разработана также применительно к алюминиевым сплавам.

Все пресс-изделия из алюминиевых сплавов делят на две основные группы: профили и прутки. Профили бывают сплошного сечения, пустотелые и переменного по длине сечения. Профили сплошного сечения составляют 80-85 % всего сортамента выпускаемых профилей. Сортамент пресс-изделий из алюминиевых сплавов насчитывает около 20000 наименований. Основными техническими условиями на поставку профилей являются ГОСТ 8617-81, а на поставку прутков - ГОСТ 21488-76. Согласно этим стандартам, пресс-изделия могут быть изготовлены закаленными и естественно состаренными (дополнительно к марке сплава добавляется буква, обозначающая состояние поставки - в данном случае буква Т), закаленными и искусственно состаренными (Т1), не полностью закаленными и искусственно состаренными (Т5), отожженными (М) и без термической обработки.

Площадь поперечных сечений профилей изменяется от 0,2 до 1500 см², габаритные размеры вписываются в окружности диаметром 10-850 мм, длина профилей до 15 м и выше.

Прутки прессуют трех видов: круглые, квадратные, шестигранные. Диаметр окружности, в которую вписываются сечения прутков, изменяется от 10 до 400 мм.

Современная схема подготовки заготовок из алюминиевых сплавов состоит из следующих операций:

1) нагрева неразрезанных и необточенных литых заготовок в виде столбов в нагревательных печах - индукционных или газовых;

2) резки столбов, нагретых до температуры прессования, на мерные заготовки по выходе из печи на специальных ножницах;

3) скальпирования поверхностного слоя (в основном, при прессовании с обратным истечением).

Резка заготовок производится сферическими ножницами (рис. 4), исключающими смятие нагретой заготовки. При этом по сравнению с традиционно применяемой резкой пилами, повышается производительность уменьшается вероятность косого реза, снижается угар металла, который образуется при переплавке стружки.

Рис. 6 - Схема резки заготовки в виде литого столба на мерные части 1 - заготовка; 2 - нижний неподвижный нож; 3 - верхний подвижный нож; 4 - упор.

Основной метод прессования алюминиевых профилей - прямое прессование без смазки. Принципиальное отличие схемы - движение прессуемой заготовки относительно стенок контейнера. При таком движении между стенками контейнера и заготовкой возникает трение. В условиях высоких давлений, характерных для прессования, на преодоление трения затрачивается значительная энергия - около 30-40% мощности пресса. Кроме того, трение, сдерживая движение периферийных слоев заготовки, еще больше усугубляет один из основных недостатков процесса - неравномерность деформации по сечению заготовки.

На рис. 7 показана последовательность выполнения основных технологических и вспомогательных операций при прямом прессовании профилей сплошного сечения из алюминиевых сплавов без смазки. В исходном положении, перед подачей нагретой заготовки, пресс-штемпель находится в крайнем заднем (левом) положении. Заготовка вынимается из нагревательной печи и подается к задающему механизму. Туда же подается пресс-шайба, которая была отделена от пресс-остатка предыдущей прессовки. Затем задающий механизм передает заготовку вместе с пресс-шайбой на ось пресса между пресс-штемпелем и торцом контейнера (позиция I). После этого в цилиндр пресса направляется жидкость низкого давления, плунжер движется вперед, а вместе с ним и пресс-штемпель, который заталкивает заготовку с пресс-шайбой в полость контейнера. Затем контейнер с помощью цилиндров передвижения прижимается к матрице, с оси пресса удаляется в исходное положение податчик заготовок, освобождая пространство для дальнейшего движения пресс-штемпеля (позиция II и III). В цилиндр пресса поступает жидкость высокого давления, под воздействием которой пресс-штемпель движется вправо до соприкосновения с пресс-шайбой, распрессовывает заготовку в контейнере, в результате чего устраняются все зазоры между прессуемыми металлом и инструментом и начинается прессование профиля. Прессование идет до тех пор, пока длина пресс-остатка не достигнет заданной величины, после чего процесс останавливается (позиция III). Затем контейнер несколько отводится назад от матрицы и в образовавшемся пространстве между ними оказывается пресс-шайба с пресс-остатком; при этом пресс-остаток с профилем представляют собой одно целое (положение IV). В зазор между контейнером и матрицей входит нож прессовых ножниц и отрезает от профиля пресс-остаток с пресс-шайбой (положение V), которые транспортируются в разделительное устройство, расположенное вне пресса. В этом устройстве пресс-шайба и пресс-остаток разделяются, пресс-шайба направляется к механизму подачи заготовок, а пресс-остаток удаляется в отходы. Затем отрезанный от остатка профиль передвигается по рольгангу и передается на последующую обработку. Одновременно ползун ножниц возвращается в верхнее исходное, а пресс-штемпель передвигается в крайнее заднее положение. На этом цикл прессования заканчивается и начинается новый цикл.

Применяют и другие способы прессования алюминия и его сплавов.

Прессование с различным сочетанием движения контейнера и металла. Стремление к интенсификации прессового производства и поиски путей устранения недостатков прямого прессования обусловили использование таких схем прессования, при которых условия контактного трения на поверхности металл-контейнер более благоприятны. Поэтому довольно широкое распространение получил способ прессования с обратным истечением; кроме того, разработан новый способ прессования с активным действием сил трения, при котором контейнер перемещается в, направлении движения заготовки и пресс-изделия со скоростью, превышающей скорость пресс-штемпеля, а трение между заготовкой и контейнером содействует прессованию.

Прессование со смазкой. Один из наиболее существенных недостатков прямого прессования - вредное действие сил трения можно существенно уменьшить при использовании смазки. Обычно смазку наносят на стенки контейнера или на поверхность заготовки в зависимости от условий процесса и вида смазки. Снижение сил трения способствует уменьшению неравномерности деформации и требуемого давления прессования. Это позволяет уменьшить начальную температуру нагрева заготовок и прессовать их при более высоких скоростях истечения. Последнее важно для прессования заготовок труднодеформируемых алюминиевых сплавов, у которых скорость истечения невелика. При повышении скорости заметно растет съем продукции с прессов. Прессование со смазкой также улучшает качественные характеристики пресс-изделий: снижается неравномерность структуры и свойств по поперечному сечению, повышается стабильность размеров.

Многоканальное (многониточное) прессование. Эта разновидность процесса вызывает большой интерес прессовщиков в связи с видимой возможностью увеличить производительность, а также прессовать профили малых сечений на имеющемся оборудовании. Прессование в многоканальные матрицы имеет следующие особенности:

ь на одном и том же контейнере вытяжка уменьшается и понижается неравномерность деформации металла; при этом возможно заметное увеличение производительности. Если же отпрессованная длина каждого профиля не меняется, например за счет увеличения длины заготовки или диаметра контейнера, то повышается выход годного;

ь прессование асимметричных профилей улучшаются условия истечения и снижается неравномерность деформации, повышаются точность геометрии поперечного сечения и распределение структуры и механических свойств;

ь используется более мощный пресс и контейнер большего диаметра. При этом повышается производительность процесса, а в ряде случаев и выход годного;

Многоканальное прессование - еще менее стационарный и стабильный процесс, чем прессование в матрицу с одним каналом. Поэтому часто бывает так, что в силу изменения условий деформации, которые при прессовании через большое число каналов меняются по ходу процесса, отдельные профили получаются различной длины. Это существенный недостаток многоканального прессования.

Прессование полых профилей со сваркой. Основные отличия его заключаются в том, что для прессования полых пресс-изделий применяют заготовку без полости, а металл заготовки в процессе прессования вначале разделяется рассекателем на два или более потоков, которые, продвигаясь вперед по ходу прессования, соединяются вокруг оправки и свариваются в одно целое, образуя заданное пресс-изделие. Таким образом, профили, полученные через язычковые матрицы, имеют один, два или более продольных сварных швов. Помимо основных преимуществ, вытекающих из изложенных особенностей прессования со сваркой, для процесса характерны высокая точность размеров поперечного сечения профилей и низкая разностенность вследствие жесткого крепления и короткой длины оправки, а также пониженная шероховатость внутренней поверхности изделий, так как прессование идет без смазки оправки.

При анализе промышленных процессов горячего прессования ряда алюминиевых сплавов в пресс-изделия, имеющие различную конфигурацию поперечного сечения, возникает необходимость в сравнительной оценке способности металла к прессованию. Количественная оценка этой способности выражается предлагаемым обобщенным показателем - прессуемостью. Под прессуемостью, обозначаемой буквой П, следует понимать сравнительную способность сплава к прессованию с высокими скоростями истечения и низким давлением на пресс-шайбе. Эта величина зависит от химического состава сплава и конфигурации профиля.

5. Производительность прессования

Производительность определяется количеством продукции, произведенной в единицу времени одним работающим. Чаще всего рассматривают часовую или сменную производительность.

Производительность прессовой установки Q, кг/ч рассчитывают по формуле:

Q = Р₃•В_г•60/(T_маш + T_всп)

где Р₃ - масса заготовки, кг; В_г - выход годного, %; Т_маш - длительность прессования одной заготовки (машинное время), мин; Т_всп - длительность вспомогательных неперекрывающихся операций на одну прессовку (вспомогательное время), мин; определяется в основном техническими характеристиками пресса.

В формуле

Т_маш = L_изд.пр./ V_ист,

где L _изд.пр. - отпрессованная длина пресс-изделия, м; V_ист - скорость истечения, м/мин.

Из формулы производительности следует, что производительность тем выше, чем больше масса заготовки, величина выхода годного и чем меньше машинное и вспомогательное время или больше скорость истечения. Если мы хотим увеличить производительность какого-либо установившегося процесса прессования конкретного пресс-изделия, то при постоянных массе заготовки и выходе годного единственными характеристиками, которыми мы можем регулировать, являются: скорость истечения, связанная с величиной машинного времени и величина вспомогательного времени. Приступая к выбору путей повышения производительности за счет роста скорости истечения или уменьшения величины вспомогательного времени, следует иметь в виду, что изменение этих характеристик по-разному влияет на производительность труда при прессовании трудно- или легкопрессуемых сплавов.

...