Рациональная компоновка и конструкция оборудования для реализации процесса прокатки-прессования

Rational layout and equipment design to implement the process rolling-pressing

Andrey Fastykovsky
doctor of technical sciences, professor, Siberian state industrial University, Russia, Novokuznetsk

Аннотация. Рассмотрены принципы выбора компоновки и конструктивных решений оборудования для реализации процесса прокатки – прессования. На основании проведенных исследований разработаны рекомендации, позволяющие повысить эффективность процесса прокатки – прессования.

Abstract. The principles of choosing a layout and design solutions of the equipment for realizing the process rolling – pressing. Based on the research recommendations, allowing to increase the efficiency of the process rolling – pressing.

Ключевые слова: компоновка оборудования; конструктивные решения; прокатка – прессование.        

Keywords: layout; design; rolling – pressing.

Постоянное совершенствование способов обработки металлов давлением, поиск новых решений, направленных на использование скрытых резервов, послужил стимулом к разработке способа прокатки – прессования [1, 2]. Данное направление является очень перспективным, так как совмещение этих двух процессов позволяет решить ряд проблем присущих каждому из них в отдельности. Проведенные экспериментальные исследования показали хорошие результаты и наметили пути развития [3]. Однако широкое внедрение процесса сдерживается крайне малым количеством теоретических работ посвященных данному вопросу [4, 5]. Такое положение затрудняет проведение проектно – конструкторских работ, разработку технологических режимов деформирования и параметров инструмента.

Совмещенный процесс прокатки – прессования реализуется в две стадии с использованием разного инструмента, на первом этапе металл деформируется во вращающихся валках, которые, используя резерв втягивающих сил трения, проталкивают заготовку через матрицу (вторая стадия процесса). Процесс возможен в том случае, когда напряжение подпора, создаваемое валками (σ₁) будет больше или равно напряжению необходимому для прессования через матрицу (σ₂). В зависимости от коэффициента вытяжки в матрице величина напряжения σ₂ может изменяться в широких пределах, принимая значения меньше или больше сопротивления деформации обрабатываемого материала (σ_s). Если σ₂/σ_s<1 то компоновка матрицы относительно линии, соединяющей центры валков, определяется только удобством крепления и не оказывает влияние на коэффициент вытяжки в системе валок – матрица. При σ₂/σ_s>1 компоновка матрицы относительно линии, соединяющей центры валков, существенно влияет, как на коэффициент вытяжки системы, так и на затраты энергии. Для определения оптимального размещения матрицы относительно линии, соединяющей центры валков, воспользуемся зависимостями приведенными в работе [6, 7].

Рассмотрим пример деформирования, способом прокатки – прессования, заготовки сечением 18х15 мм в прямоугольном калибре без выпусков, с размерами высоты (h_к) и ширины (b_к) калибра 15 мм, выполненном в валках диаметром 300 мм, и конической матрице. Аналитически изучим влияние коэффициента трения и места размещения матрицы на величину суммарного коэффициента вытяжки в системе валок – матрица. Результаты расчетов представлены на рисунке 1 из которой видно влияние коэффициента трения и расстояния от линии, соединяющей центры валков до матрицы (х) на коэффициент вытяжки в системе валок - матрица.

Используя зависимости, приведенные в работах [6, 7], проанализируем влияние конструктивных особенностей калибра и места компоновки матрицы на коэффициент вытяжки в системе валок – матрица. В качестве примера рассмотрим три схемы процесса прокатки – прессования заготовки размерами 15х15 мм в калибре h_кхb_к=8х15 мм (один вариант калибр образован вращающимися валками, второй – одна боковая стенка калибра является неподвижной пластиной, третий – боковые стенки калибра образованы неподвижными пластинами), коэффициент трения в валках 0,5, на неподвижных пластинах 0,3, валки диаметром 300 мм. Полученные данные приведены на рисунке 2 а, где сплошной линией показан коэффициент вытяжки для калибра имеющего две неподвижные боковые пластины, штриховой – для калибра одна боковая сторона которого образована неподвижной пластиной, штрих с крестом – калибр нарезан в валках. Как видно из полученных данных конструкция калибра существенно влияет на коэффициент вытяжки процесса прокатки – прессования.

Рисунок 1. Диаграмма изменения суммарного коэффициента вытяжки в системе валок – матрица от коэффициента трения и расстояния от линии соединяющей центры валков до матрицы (х)

Использование неподвижных пластин приводит к уменьшению коэффициента вытяжки и непроизводительным затратам энергии на преодоление трения между металлом и пластинами. Необходимо отметить, что принимать расстояние от линии, соединяющей центры валков до матрицы, надо очень взвешено, учитывая, что при одной и той же величине коэффициента вытяжки увеличение расстояния х приводит к увеличению давления на матрицу и дополнительным расходам энергии. Последнее можно пояснить, обратившись к рисунку 2, согласно которого при прокатке в калибре, нарезанном в валках коэффициент вытяжки 40 можно получить, разместив матрицу на расстоянии от 4 до 27 мм от линии, соединяющей центры валков при этом нагрузка на матрицу будет изменяться согласно графику, приведенному на рисунке 2 б.

  а                                                               б

Рисунок 2. Результаты аналитических исследований влияния конструкции калибра и компоновки матрицы на коэффициент вытяжки в системе валок – матрица и нагрузку на инструмент

На основе проведенной работы можно сформулировать следующие рекомендации для компоновки и конструирования инструмента с целью получения оптимальных значений коэффициента вытяжки в системе валок – матрица и минимальных затрат энергии на деформацию:

- при напряжении подпора (σ₂) меньше сопротивления деформации (σ₂/σ_s<1) располагать матрицу относительно линии, соединяющей центры валков можно в любом удобном месте;

- при напряжении подпора больше сопротивления деформации (σ₂/σ_s>1) оптимальное расположение матрицы необходимо определять согласно методикам, приведенным в работах [6, 7];

- если необходимый коэффициент вытяжки, при прочих равных условиях, можно получить, разместив матрицу на различном расстоянии от валков, то, как оптимальное следует выбирать минимальное расстояние;

- по возможности из конструкции калибра необходимо исключить неподвижные элементы;

- при выборе формы калибра необходимо помнить, что прямоугольная форма за счет защемления металла обеспечивает максимальное напряжение подпора;

- ширина используемой заготовки должна быть максимально приближена к ширине калибра.

Использование приведенных рекомендаций по компоновки и конструкции позволит организовать процесс прокатки – прессования с максимальной эффективностью.