Анализ энергосиловых параметров экструдирования меди на установке "Конформ" с форкамерой

Размеры ранних конструкций матриц для установки «Конформ» не выходили за пределы ширины ручья колеса, что в свою очередь ограничивало габариты прессуемых профилей. Прессование с расширяющейся у матрицы камерой, разработанной в последнее время, позволило увеличить габариты пресс-изделий относительно исходной заготовки [1]. Использование установок «Конформ» с форкамерами различной формы и размеров значительно расширяет сортамент не только сплошных, но и полых пресс-изделий. По этому принципу фирмой Babcock (США) разработан способ Конформ/Конклад для экструдирования полых профилей с неподвижной иглой, которая может быть заменена двигающимся сердечником для его непрерывного плакирования [2].

В установке «Конформ» экструзия профиля в очко матрицы и заполнение металлом форкамеры происходят за счет сил контактного трения заготовки с подвижной поверхностью разъемного контейнера в виде ручья в приводном колесе. Неподвижную часть контейнера составляет сегментная вставка с форкамерой и выступом, перекрывающим поперечное сечение ручья. Прутковая заготовка задается в контейнер, захватывается ручьем вращающегося колеса, продвигается до упора в выступ вставки, выдавливается в форкамеру и экструдируется в очко матрицы [3].

Методика определения силы экструдирования

На рис. 1 изображена схема непрерывной экструзии металла способом «Конформ» с применением такой форкамеры. Прутковая заготовка 3 задается в ручей 2 приводного колеса 1 с помощью прижимного ролика 4, продвигается до выступа матрицедержателя 8, выдавливается – 482 – через канал и заполняет расширяющуюся форкамеру. На выходе из форкамеры установлена матрица 5, в калибрующее отверстие которой экструдруется пресс-изделие 6.

К настоящему времени несколько зарубежных фирм [4-6] производят установки с подобной схемой прессования. Одна из таких модификаций промышленных установок «Конформ» приведена на рис. 2.

Для осуществления устойчивого процесса непрерывной экструзии профиля с использованием форкамеры необходимо выполнение следующего условия:

Т а = Т к + Р в + Р ф + Р э + Т ф + Т м ,

где Т_а – активная сила трения на контакте заготовки с канавкой колеса; Т_к – сила на преодоление трения по поверхности неподвижной части контейнера (вставка и выступ матри-цедержателя); Р в – сила на выдавливание металла из контейнера в форкамеру; Р ф – сила на заполнение форкамеры; Р э – сила на экструзию профиля в очко матрицы; Т ф – сила на

Рис. 1. Схема установки «Конформ» с расширяющейся форкамерой: 1 – приводное колесо; 2 – кольцевая канавка (ручей колеса); 3 – прутковая заготовка; 4 – прижимной ролик; 5 – матрица; 6 – пресс-изделие; 7 – башмак; 8 – корпус форкамеры с выступом матрицедержателя

Fig. 1. Scheme of installation Conform with the expanding prechamber: 1 – drive wheel; 2 – an annular groove (wheel rim); 3 – bar stock; 4 – pressure roller; 5 – die; 6 – a press product; 7 – shoe; 8 – the body of the prechamber with a projection of the die holder

Рис. 2. Общий вид установки «Конформ» фирмы Dalian Konform Technical Co., Ltd [ 6 ]

Fig. 2. General view of the installation of the Conform of Dalian Conform Technical Co., Ltd [6]

преодоление трения по поверхности форкамеры; Тм – сила на преодоление трения по поверхности матрицы [7-9].

Определим силу на преодоление трения по поверхности неподвижной части контейнера:

Т к = σ s ⋅ µ ⋅ F в ,                                                                            (2)

где σ s – сопротивление деформации при заданной температуре; µ – показатель трения; F в – площадь контакта заготовки с неподвижной частью контейнера [10].

Для вычисления Р в и Р ф воспользуемся формулой и диаграммой В.И. Залесского, приведенной в справочнике под редакцией Е.И. Семенова [11], определяющими силу высадки головки стержня:

Р в = σ s ⋅ k 1 ⋅ F к ,                                                                                  (3)

Р ф = σ s ⋅ k 2 ⋅ F ф ,                                                                            (4)

где k₁, k₂ – коэффициенты, величина которых зависит от отношения высоты высаживаемой головки к размеру поперечного сечения стержня и находится в интервале от 1,2 до 6,0 при отношении указанных размеров 1,8 и 0,2 соответственно; F_к – площадь поперечного сечения канала между контейнером и форкамерой; F ф – площадь поперечного сечения форкамеры на зеркале матрицы.

Определим силу экструдирования профиля в очко матрицы:

Рэ = п⋅σs⋅ lnλ⋅Fф,(5)

где λ – коэффициент вытяжки; п – коэффициент угла матрицы, по данным И.Л. Перлина [8] для плоских матриц п = 1,36.

Сила на преодоление трения по поверхности форкамеры

Тф= σs⋅µ⋅Fп.ф,(6)

где F п.ф – площадь контакта заготовки с боковой поверхностью форкамеры.

Сила на преодоление трения по поверхности матрицы

Тм= σs⋅µ⋅Fм,(7)

где F м – площадь контакта заготовки с боковой поверхностью матрицы.

Определение энергосиловых параметров прессования медной шины

Для проверки предложенной методики приведем пример расчета силы прессования при экструдировании медной шины 8×50 мм на установке ««Конформ» 400» с форкамерой, имеющейся на Каменск-Уральском заводе по обработке цветных металлов [12].

Расчет силы на преодоление трения по поверхности неподвижной части контейнера проведем по среднему значению σ s . При этом температуру металла на входе и выходе из контейнера примем 20 и 450 ^оС соответственно. Коэффициент трения 0,3, ширина вставки 20 мм, длина 100 мм. Форма и размеры сечения ручья колеса изображены на рис. 3.

Т к = 0,5 ⋅ (230 + 180) ⋅ 0,3 ⋅ (20 ⋅ 100 + 1020 + 0,5 ⋅ 3,14 ⋅ 10²) = 72272 Н.

Силу на выдавливание металла из контейнера в форкамеру найдем по формуле (3):

Р в = 180 ⋅ 2,2 ⋅ 400 = 158400 Н.

Сила на заполнение форкамеры:

Р ф = 180 ⋅ 1800 = 324000 Н.

Сила на экструзию профиля в очко матрицы из форкамеры:

Р э = 1,36 ⋅ 180 ⋅ 1,5 ⋅ 1800 = 660960 Н.

Силу на преодоление трения по поверхности форкамеры рассчитаем исходя из границ деформационной зоны на макрошлифе темплета (рис. 4), при этом показатель трения µ достигает значения, равного 1:

Т ф = 180 ⋅ 23 ⋅ (24 + 50) ⋅ 2 = 612720 Н.

Рис. 3. Форма и размеры сечения ручья колеса установки ««Конформ» 400»

Fig. 3. The shape and dimensions of the cross section of the wheel of the “Conform 400” installation

Рис. 4. Макрошлиф темплета, полученного при экструдировании медной шины

Fig. 4. Macro polishing of the temperature pattern obtained by extruding a copper bus

Сила на преодоление трения по поверхности матрицы:

Т м = 180 ⋅ 0,3 ⋅ 58 ⋅ 2 ⋅ 4 = 25056 Н.

Таким образом, полная сила, необходимая для экструзии медной шины 8×50 мм, составит:

Т а = 72272 +158400 +324000 + 660960 +612720 +25056 = = 1853408 Н = 1,85 МН (185,34 тс).

Экспериментальное значение силы прессования при экструдировании этой шины на установке «Конформ» Каменск-Уральского завода ОЦМ составило 1,95 МН, что показывает хорошую сходимость расчетных результатов с практически измеренными в ходе прессования значениями.

Выводы

Предложенная методика расчета силы прессования соответствует практическим результатам при прессовании с форкамерой медной шины, поэтому данная методика может использоваться инженерами и конструкторами при проектировании технологических процессов непрерывного прессования методом «Конформ», конструктивных параметров оборудования и прессового инструмента.