Влияние различных факторов на напряжение волочения

 

 

 

 

 

 

3. Производство труб  прессованием

 

Трубы из высоколегированных сталей и сплавов, обладающих пониженной пластичностью, некоторое количество специальных труб из углеродистых и легированных сталей, а также практически все горяче-деформированные трубы из широкого диапазона цветных металлов и их сплавов получают методом прессования..

Несмотря на более высокую, по сравнению с горячей прокаткой, стоимость передела (что связано с эксплуатацией сложного оборудования и более высоким расходным коэффициентом металла, составляющим 1,12-1,20), широкое распространение прессовых агрегатов для производства труб, особенно за рубежом, объясняется рядом преимуществ процесса прессования. К этим преимуществам относятся: благоприятная схема напряженно-деформированного состояния, обеспечивающая максимально возможную деформируемость металла, благодаря чему можно получать трубы из малопластичных сталей и сплавов и процесс осуществлять с особо высокими степенями деформации; коэффициенты вытяжки углеродистых сталей достигают 60, высоколегированных сталей - 30, титана - 50, никеля - 15, меди - 250, чистых алюминия и свинца - 1000;

высокая маневренность процесса, связанная с быстрой сменой инструмента, позволяющая применять прессование при мелкосерийном производстве; это особенно важно при производстве труб из сплавов, а также делает процесс прессования более рентабельным, чем прокатка, при производстве малотоннажных партий труб ответственного назначения из углеродистых и легированных сталей;

возможность получения полых профилей сложной, не достигаемой прокаткой, конфигурации, а также биметаллических труб различных сочетаний;

более высокая, по сравнению с прокаткой, точность размеров труб; возможность получения более тонкостенных труб, как готовых, так и заготовок для холодного передела (что сокращает цикличность этого передела).

На трубопрессовых агрегатах производятся трубы из различных сталей диаметром 25-245 мм, цветных металлов - 20-560 мм. Максимальный диаметр труб определяется номинальным усилием пресса, минимальный - допустимым наименьшим диаметром иглы-оправки (ее разогревом и возможностью обрыва). При производстве стальных труб применяется редуцирование, тогда минимальный диаметр труб определяется мощностью редукционного стана.

Для прессования труб используются прессы двух типов - механические и гидравлические. Механические вертикальные прессы имеют привод подвижного инструмента - пресс-штемпеля и иглы - от электродвигателя и маховика через кривошипно-шатунную передачу. Такой тип привода ограничивает усилие прессов, составляющих 10 - 16,5 МН (в отечественной черной металлургии эксплуатируются прессы 12,5 и 15 МН), и, кроме того, создает крупный технологический недостаток - переменную скорость прессования vnp, изменяющуюся в процессе деформации от максимального значения (<240 мм/с) до нуля и приводящую к переменным свойствам трубы по длине. В связи с этим механические прессы имеют ограниченный сортамент -трубы диаметром 38-102 мм из углеродистых и легированных сталей с невысоким сопротивлением деформации, реже - из высоколегированных сталей. Ограничения хода инструмента, диаметра и массы заготовок (< 60 кг) обусловливают низкую производительность механических прессов, поэтому в последние годы преимущественно строились гидравлические прессовые установки.

Гидравлические трубопрофильные прессы имеют привод от специальных насосно-аккумуляторных станций. Гидравлический привод позволяет создать прессы значительного диапазона усилий - 4-80МН и более (вплоть до уникальных прессов усилием 100-300 МН для прессования стальных труб диаметром 500 - 1200мм). Прессы имеют в основном горизонтальное исполнение. В отечественной черной металлургии работают четыре горизонтальных гидравлических трубо-профильных пресса: 16, 20, 31,5 и 55 МН. На последнем из них прессуются трубы из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей и сплавов диаметром 83-245 мм, последующим редуцированием сортамент расширен до 57 мм. Скорость прессования достигает 300 мм/с, темп прессования - 75 шт/ч (на прессе 20 МН - 120 шт/ч). Скорость прессования v np и истечения металла из матрицы v,1CT = vnp X, на мощных прессах ограничена разогревом металла и инструмента, зависящим от степени деформации и скорости скольжения, и в связи с этим - потерей пластичности металла, налипанием на инструмент, ухудшением качества труб. Практически скорость истечения составляет: у сталей 3 - 12 м/с, меди и сплавов 1 - 5 м/с, алюминия и сплавов 0,05 - 1 м/с. Большое усилие и ход главных цилиндров современных прессов позволяют осуществлять прессование из заготовок повышенного диаметра, длины и массы, что обусловливает их высокую производительность.

Процесс изготовления труб включает две операции: прошивку заготовки и прессование гильзы в трубу. Эти операции могут осуществляться раздельно в двух последовательно установленных прессах - прошивном и трубоирофильном, либо совмещаться в одном прессе. При производстве труб из широкого диапазона марок стали и сплавов, включая труднодеформируемые, применяются раздельные операции. Прошивка осуществляется в вертикальных гидравлических прессах усилием 5 - 35 МП; гильза должна быть получена сквозной (в отличие от получения стакана перед прокаткой), чтобы в трубопро-фильном прессе можно было произвести свободный ввод иглы в гильзу. Для этой цели процесс прошивки ведется не в глухом контейнере, закрытом сплошным опорным пуансоном, а в контейнере со сквозной матрицей, отверстие которой на первых стадиях процесса запирается подпорной иглой (рисунок 3.1). Процесс включает четыре стадии. Первая и вторая стадии - распрессовка заготовки в контейнере и установившейся процесс нарастающей прошивки. Высота очага деформации пд в процессе движения иглы при прошивке примерно постоянна, усилие пресс-штемпеля Рпш снято, усилие иглы Ри постоянно, или несколько возрастает в связи с тем, что увеличивается высота прошитой части гильзы и трение ее о поверхность конвейера.

Скорость прошивки составляет 300-400 мм/с. Третья стадия - формирование донышка заданной толщины. При подходе иглы к дну контейнера процесс установившегося течения нарушается: начинается осадка металла под иглой, усилие Рн нарастает; толщина-донышка определяется заданным ограничением усилия прошивки. На четвертой стадии снимается усилие с подпорной иглы, за счет усилия Ри происходит открытие матрицы, срез донышка и отделение образующейся выпрессовки высотой 10 - 20 мм от гильзы. Наличие выпрессовки увеличивает расходный коэффициент металла, что является недостатком процесса прошивки сквозных гильз.

 

 

Рисунок 3.1 – Схема прошивки заготовки в сквозную гильзу: а- окончание распрессовки и формирование закругленного торца заготовки; б - окончание нарастающей прошивки и формирование донышка; в - срез донышка; 1 -прошивная игла с плоским наконечником; 2 - пресс-штемпель с вогнутой головкой; 3 - втулка контейнера; 4 - матрица; 5 - подпорная игла; 6 - гильзе; 7 - выпрессовка (Р подп.- усилие подпора).

 

Для получения гильз высокой точности и повышенной длины применяется процесс экспедирования - расширения отверстия предварительно сверленных заготовок (рисунок 3.2). Сверление по оси заготовки выполняют диаметром не более 50 мм, так как иначе заметно увеличивается расход металла. Распрессовка заготовки в контейнере не производится, поэтому при экспандировании сочетаются процессы заполняющей и нарастающей прошивки. Усилие эксшандирования на 25-30% ниже, чем при нарастающей прошивке, в связи с чем оно наиболее ращюнально при обработке труднодеформируемых сталей и сплавов. Экспандирование может производиться как в прошивных, так и в специальных, более простых по конструкции прессах, в которых пресс-штемпель, подпорная игла и их приводы отсутствуют.

При длине гильз 500-800 мм машинное время прошивки составляет 3-10% времени такта; в этих условиях экспандирование, позволяющее получать гильзы повышенной длины и массы, увеличивает производительность всего агрегата.

 

 

Рисунок 3.2 - Схема экспандирования сверленной заготовки: а - установившийся процесс (исходная заготовка показана штриховой линией); б -выпрессовки; / - экспандирующий наконечник иглы; 2 - выпрессовка

Совмещенный процесс прошивки и прессования, производимый в одном прессе (рисунок 3.3) применяется при производстве труб из цветных металлов на гидравлических прессах, а также углеродистых и легированных сталей на механических прессах. Прошивная игла пресса по окончании прошивки служит как игла-оправка при прессовании. Подпорная игла не устанавливается, поскольку выходная сторона пресса должна быть свободна для приема выпрессовываемой трубы. Первые стадии - распрессовка и установившийся процесс нарастающей прошивки. В определенный момент усилие нарастующей прошивки становится равным усилию прямого истечения металла в открытую матрицу.

 

 

Рисунок 3.3 – Схема совмещённой) процесса прошивки и прессования:

а - переход от нарастающей прошивки к течению металла в матрицу; б - начало прессования.

 

По мере уменьшения высоты не прошитой части заготовки происходит срез центральной зоны, затем - отрыв выпрессовки. Высота выпрессовки hB при таком способе прошивки больше, чем в процессе с подпорной иглой. После установки иглы в матрице начинается прессование, последние стадии которого такие же, как при раздельном прессовании. Прессование первоначально применялось только для получения труб из цветных металлов на тихоходных гидравлических прессах. Такой процесс осуществляется с применением смазок - минеральных масел с добавками графита и др., позволяющих снизить усилие прессования на 40- 50 % и повысить скорость истечения, либо без смазки, что, например, при прессовании медных сплавов позволяет получить поверхность труб более высокого качества. Следующим этапом развития процесса явилась разработка быстроходных механических прессов, в которых процесс деформации длится 2 - Зс, что позволило прессовать трубы из углеродистых и легированных сталей с применением графитовых смазок. Попытки осуществить в таких условиях прессвание высоколегированных сталей не увенчались успехом, что было связано с науглероживанием металла и быстрым выходом из строя матриц из-за выдавливания смазки в отверстие матрицы в самом начале процесса. Дальнейшее развитие процесса и освоение прессования высоколегированных сталей и сплавов было достигнуто только после применения нового смазочного материала - стеклосмазки, образующей вязкую пленку при оплавлении на контакте с металлом. Эта смазка одновременно удовлетворяет ряду требований: она обладает хорошими антифрикционными свойствами, имеет высокие теплоизоляционные свойства, не оказывает термохимического воздействия на металл. Стекла различного состава применяются для смазывания всех подвижных контактирующих поверхностей деформируемого металла и инструмента при прошивке (или экс-пандировании) и прессовании.

Технологический процесс производства стальных труб на агрегате с трубопрофильным прессом 55МН, установленном на ВТЗ следующий: подготовка заготовки (разрезка; снятие фаски на торце, примыкающем к стеклошайбе в трубопрофильном прессе; при необходимости обточка, сверление); нагрев в кольцевой печи - полный нагрев углеродистых и легированных сталей до 1100 - 1250°С, предварительный нагрев высоколегированных сталей и сплавов до 700 - 850°С; окончательный нагрев высоколегированных сталей и сплавов до 1050 - 1200°С в проходных горизонтальных индукторах; гидросбив окалины; нанесение стеклосмазки: на наружную поверхность заготовки - путем обкатки (перекатыванием по наклонному столу с нанесенным слоем стеклопорошка, оплавлением его и прилипанием к металлу), под прошивную иглу - путем забрасывания порции стеклопорошка на торец заготовки; прошивка (с образованием закругленной фаски на торце с целью предохранения стекло-шайбы в трубопрофильном прессе от предварительного разрушения и устранения скалывания заостренной кромки, приводящей к повреждению матрицы и трубы) или экспандирование на вертикальном прошивном прессе; подогрев гильз в вертикальных индукторах до 1050 - 125СГС; гидросбив окалины; нанесение смазки на наружную (путем обкатки) и внутреннюю (путем забрасывания порции стеклопорошка) поверхность гильзы; установка предварительно сформованной стекло-шайбы на матрицу трубопрофильного пресса; прессование в трубопрофильном прессе; дальнейшая обработка углеродистых и легированных труб: обрезка передних концов, подогрев в печи с шагающими балками, гидросбив окалины, редуцирование, охлаждение, пакетная порезка труб, химическое удаление стеклосмазки, правка труб; дальнейшая обработка труб из высоколегированных сталей: охлаждение (после передачи транзитом от пресса на охладительный стол), порезка, травление, правка; часть труб для получения требуемых механических свойств подвергается закалке, после чего поступает на последующую отделки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача

Расчет силы прессования

 

Определить силу прессования (выдавливания) медных прутков с d1 = 70 мм при температуре нагрева металла 850°С из слитка длиной l0 = 380 мм в контейнере диаметром d0 = 150 мм, при длине калибрующего пояска l1 = 8 мм и угле α = 65.

Показатель трения fп = 0,135.

а коэффициент вытяжки             

Коэффициент напряженного состояния при прессовании составил:

Сопротивление металла (предел текучести) при указанных условиях прессования определим по С.И.Губкину:

где: σТ - предел текучести в стандартных условиях испытания при линейном напряженном состоянии.

При прессовании прутка из меди при температуре t = 850°С,

σТ =20 Н/мм²; lnµ = 1,5.

σ = 20 · 1,5 = 30 Н/мм²

Тогда среднее нормальное давление на контакте с пуансоном

Сила прессования из выражения

 МН

По результатам расчетов построить графики: , .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы