CC BY
13
—ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ —
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.Л. Бережной
УДК 621.777:621
ПРЕДПОСЫЛКИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ХОЛОДНОГО ПРЕССОВАНИЯ НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ЗАВОДАХ
В.Л. Бережной, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС)
Показана целесообразность освоения в машиностроительной промышленности компактных комплексов с механическими прессами для оптимальной технологии холодного прессования (ХП) конструкционных труб и профилей высокой точности из мало- и среднелегированных алюминиевых сплавов. Избранный процесс ХП обеспечивает интенсивную подачу смазочного материала в зону матрицы с созданием гидродинамического эффекта неразрывности и высокой несущей способности смазочного слоя.
Ключевые слова: машиностроительные заводы; холодное и теплое прессование; конструкционные трубы, профили; мало- и среднелегированные алюминиевые сплавы; экологически безопасная смазка; экономичность, оперативность и улучшение условий труда в производстве.
Prerequisites for Use of Cold Extrusion at Engineering Works. V.L. Berezhnoy.
The paper shows expediency of mastering of compact complexes in combination with power mechanical presses to adopt an optimum cold extrusion technology for production of low- and medium-alloyed aluminium alloy structural precision tubes and shapes in the engineering industry. The chosen cold extrusion process ensures intensive feeding of lubricant material in the die zone with creation of the hydrodynamic effect of inseparability and high carrying ability of the lubricant layer.
Key words: engineering works, cold and warm extrusion, structural tubes and shapes, low- and medium-alloyed aluminium alloys, ecologically safe lubricant, economical efficiency, operativeness and improvement in labour conditions in the industry.
Холодное прессование со смазочным материалом при рациональном применении позволяет в сравнении с горячим прессованием значительно снизить трудоемкость изготовления и себестоимость труб и профилей определенного сортамента и назначения. Пресс-изделия могут иметь окончательные размеры детали в поперечном сечении.
Хотя индустриальный масштаб холодного прессования труб и профилей из алюминиевых сплавов остается ограниченным в сравнении с 60-70-ми годами ХХ в., по-прежнему актуальной является задача использования его преимуществ.
При этом необходимо учитывать, что в источниках, сообщающих о буме в области
холодного прессования [1-3], практически не делалось различий между процессами прессования длинномерных изделий (cold extrusion) и штамповки выдавливанием недлинных деталей, полых и сплошных (cold pressing, impact extrusion, extrusion pressing), что некорректно, так как техники здесь разные. Заметим, что процесс холодного прессования конструкционных труб и профилей сразу был адресован металлургической промышленности, а указанные выше его далекие аналоги - машино- и аппаратостроительной промышленности. В результате сегодня экспансия технологий горячего прессования с термомеханической обработкой (ТМО) сузила область применения холодного прессования,
явного конкурента, а технологии холодной штамповки выдавливанием получили широкое применение на машиностроительных заводах, заменив технологии литья и обработки металлов резанием.
Вместе с тем следует признать, что в отношении технологии прямого прессования были приняты завышенные оценки ее производственных возможностей. Предварительный анализ базы данных* приводит, например, к следующим выводам:
- из рекомендуемого ранее [2-4] сортамента холодного прессования целесообразно устранить все высоколегированные и трудно-деформируемые сплавы, для которых не достигается главное - планируемая прочность;
- теплое прессование не является достаточно эффективной заменой холодному прессованию и значительно усложняет производственные условия, создавая иллюзию в отношении возможности необходимого упрочнения высоколегированных алюминиевых сплавов;
- очевидно, что технология холодного прессования оказалась как бы инородной на металлургических заводах, которые освоили более адекватные их назначению и условиям производства технологии, например, по схеме «горячее прессование трубной заготовки - холодное волочение трубы в заданных размерах»;
- целесообразна, в первую очередь, ориентировка на развитие техники холодного прессования тонкостенных и особо тонкостенных пресс-изделий с высокой точностью размеров из алюминиевых сплавов, мало- и среднелегированных, при достаточном уровне механических свойств в применении к аппарато- и машиностроению.
Цель данной статьи - обосновать технику холодного прессования, отвечающую задачам оптимизации процесса, реализации его преимуществ и адекватную выводам, указанным выше, а также учесть стратегические изменения в металлургии и машиностроении, которые ускорили финансово-экономический кризис, проявившийся в конце первого десятилетия XXI в.
Базовые условия развития техники холодного прессования с учетом предыстории
Хотя применение прессования в холодном режиме ограничено рамками дорекристалли-
зационной температуры £ с верхней грани-
рк
цей <0,5 £ [1, 2], в данной статье принято
рк
принципиальное условие - использовать холодную заготовку (при комнатной температуре ~20 °С).
Хотя считается допустимым вовлекать в технологию холодного прессования со смазкой, например, алюминиевые сплавы систем А1-М^-81, А1-М^-Мп-7п, А1-М^-Си-Б1 и Al-Zn-Cu-Mg, в данной статье принято принципиальное условие - ограничиться лег-кодеформируемыми сплавами, т.е. первыми тремя системами.
Для холодного прессования необходимо использовать литые или прессованные прутковые заготовки, соответственно гомогенизированные и отожженные, с достаточно высоким качеством поверхности, просверленные (для прессования труб), очищенные, протравленные, промытые и смазанные.
Соответственно фактическому давлению прямого холодного прессования (рис. 1) [3], достигаюшему уровня <1200 МПа при этих ограничениях, принимается жесткий пресс-
* В анализе базовых источников принимал участие аспирант И.В. Казимов.
Рис. 1. Диаграмма зависимости удельного усилия холодного прессования труб из среднелегированных алюминиевых сплавов от диаметра заготовки ё (1), толщины пресс-остатка Ь (2), толщины стенки заготовки в (3) и трубы 6 (4)
инструмент, содержащим предварительно напряженный многослойный контейнер, сплошной пресс-штемпель (с ввинченной пресс-иглой и без нее), бандажированный матричный узел с оптимальным углом входной воронки формообразующей зоны матрицы.
В качестве прессового оборудования для такого процесса принимаются, в первую очередь, кривошипные или эксцентриковые вертикальные прессы усилием до 0,6-2,5 МН, обеспечивающие среднюю скорость рабочего хода прессования не менее 150 мм/с.
Техн ику произв одства холоднопрессованных конструкционных изделий, в первую очередь тонкостенных труб, целесообразно вывести из металлургических заводов на заводы автомобильной, авиационной, текстильной и приборостроительной промышленности, сельхозмашиностроения и других подобных отраслей.
Краткое рассмотрение предыстории (ретроспективы) техники холодного прессования проведено здесь в рамках решения задачи обоснования процессов и оборудования для применения в цехах ОМД машино- или приборостроительных заводов.
Проблема уменьшения трения, препятствующего движению деформируемой заготовки, существует как при горячем, так и при холодном прессовании. Минимальному влиянию контактного трения отвечает способ гидростатического прессования, запатентованный в 1893 г. А. Robertson в Англии [5] (рис. 2, а).
Последующие разработки этого способа в разных странах и даже исследование наиболее стабильного варианта - гидромеханического прессования [6] (рис. 1, б) - показали, что техника этих процессов сложна, нуждается в оптимальном выборе сортамента изделий и в высокопрофессиональном обслуживании в заводских условиях [6, 7].
Заметим, что гидромеханическое прессование (пресс-штемпель передает усилие и движение заготовке, отделенной от полости контейнера слоем жидкости) [6] находит успешное применение в производстве штучных заготовок спирального и другого инструмента, несимметричных профилей [5, 8].
Рассмотрим особенности и ретроспективу разных по кинематико-силовым условиям процессов холодного прессования со смазочным материалом (рис. 3).
Рис. 2. Схемы гидростатического (а) и гидромеханического (б) прессования, предложенные А. Robertson [5] и Б. С. Векшиным [6]
Рис. 3. Схемы равновесия сил при холодном прессовании со смазочным материалом прямым (а), обратным (б) и активно-обратным (в) способами:
и Ук - скорости движения пресс-штемпеля и контейнера; рк и рп - удельные усилия в контейнере и на пресс-штемпеле; тсз - напряжение трения в слое смазки; р1 - нормальное давление на матрицу
Условиям прямого прессования со смазкой через конусную матрицу (рис. 3, а) отвечает случай смешанного трения (жидкостного в контейнере и граничного в матрице): поскольку напряжение трения тсз препятствует течению и давление в обжимающей матрице превышает давление в контейнере (р1>рк), а часть смазочного материала выдавливается мимо пресс-шайбы, то обтекание смазкой прессуемого металла и питание ею матрицы исключено. В результате возможен разрыв слоя смазочного материала с появлением дефектов на изделии.
При обратном прессовании (рис. 3, б) образующийся избыток смазки из зоны жидкостного трения покоя в контейнере неравномерно продавливается затворной пресс-шайбой через матрицу, образуя на истекающем металле изделия продольные борозды. При этом не соблюдается силовое условие стабильного прессования рс<р0=$ !п3, где рс - давление в слое смазочного материала; р0 - гидростатическое давление, обеспечивающее прессование; $ - предел текучести; 3 - коэффициент вытяжки.
Напротив, при активно-обратном прессовании с активными, способствующими течению напряжениями трения тсз (рис. 3, в), приводной контейнер опережает пресс-штемпель и заготовку (ук>уп), равномерно передавая на нее через слой смазочного материала дополнительное прессующее усилие и движение. Смазка, опережая прессуемую заготовку, способствует процессу истечения металла и позитивно деформирует зереную структуру поверхностного слоя (рис. 4). Создавая на матрице смазочный «клин», напряжения тсз вызывают гидромеханический эффект: обес-
прерывного режима «заготовка - вслед заготовке» без пресс-остатка [14].
Ретроспективно в отношении схемы, изображенной на рис. 3, а, можно сказать, что впервые смазочные материалы применены при горячем прессовании алюминиевых и медных сплавов на первом в истории горизонтальном гидропрессе, запатентованном A. Dick в 1894 г. Холодное прямое прессование со смазкой развивали и осваивали во многих странах [3, 5]. К числу наиболее интересных технических решений для прямого прессования можно отнести работы [10, 11]. В первой описан оригинальный пресс-инструмент для холодного прессования конструкционных труб, установленный на кривошипном прессе усилием 1 МН. Эта прессовая установка была внедрена на БКМЗ.
Во второй работе [11] приведена инновационная технология полунепрерывного прямого прессования крупных конструкционных профилей и труб в холодном режиме на высокоскоростном (до 1 м/с) гидропрессе усилием 16 МН с использованием гидродинамического эффекта в зоне матрицы.
Рис. 4. Течение металла (а) и деформирование зеренной структуры в обжимающей зоне матрицы (б) при холодном прессовании с активными напряжениями трения в слое смазочного материала (сплав АД1: Дк=32 мм, х в=5х1 мм; ёт и вт - диаметр и толщина стенки трубы)
печивается не только условие неразрывности смазочного слоя, но и достаточная его опорно-несущая способность. Результат -высокое качество конструкционных пресс-изделий, плавный характер изменения усилия и напряжений течения при их пониженном уровне и возможность реализации не-
Созданная во ВНИИметмаше линия с указанным прессом (рис. 5) была усовершенствована по предложению и проекту автора с переходом в полунепрерывный режим с плавным торможением вылетающих из матрицы труб и защищена авторским свидетельством СССР [12].
16 15 13 14
12
1 4 5 6 7 8 9 10 1 и
Рис. 5. Компоновка линии для производства холодно-прессованных конструкционных труб и профилей из алюминиевых сплавов в полунепрерывном режиме:
1 - вертикальный прошивной пресс усилием 6 МН;
2 - гидрокопировальный автомат для обточки заготовок;
3 - правильный участок; 4, 9 - рельсовые тележки для транспортировки заготовок; 5 - печь для подогрева заготовок; 6 - смазывающий агрегат; 7 - ванна с компонентом смазки; 8 - печь для нагрева заготовок в кассетах; 10 - ванна со вторым компонентом смазки; 11 - калибровочный пресс; 12 - гидропресс усилием 16 МН; 13, 14, 15 - правильные машины; 16 - пилы, столы, склад
Таким образом, и в развитии базовой схемы холодного прессования (см. рис. 3, а) наша страна занимала передовые позиции в мире. Но современное изготовление и использование подобной линии (линия была демонтирована в связи с закрытием Госпроекта создания самолета-перехватчика ракет) в условиях машиностроительного завода проблематично.
Схема обратного прессования в холодном режиме с опережающим течением смазки (см. рис. 3, б), явно не пригодная для промышленного применения [5, 9], до сих пор рассматривается на западе (в частности, в Германии [13]) в качестве объекта для возможного совершенствования.
Способ активно-обратного прессования труб со смазкой в холодном режиме (см. рис. 2, в) предложен в 1965 г., исследован, разработан и внедрен на БКМЗ автором с сотрудниками [14].
Зарубежные аналоги такому способу и технологии отсутствуют. Элементы теории этого нового процесса и данные комплексных исследований приведены в работе [15].
Совместный анализ современного состояния производства холоднопрессованных конструкционных пресс-изделий и приведенных выше аналитических результатов позволяет
выбрать технику холодного прессования для современного использования на машиностроительных заводах.
Оптимизация техники холодного прессования для условий машиностроительного завода
Как следует из рассмотренных данных [13], в мировой практике 2/3 цехов-изготовителей холоднопрессованных изделий предпочли кривошипные прессы вертикальным гидравлическим, приводя в качестве основных доводов меньшие капитальные затраты и трудозатраты, простоту обслуживания и большую производительность, а также возможность применения имеющихся на заводе вертикальных кривошипных прессов. Кроме того, технологическими преимуществами кривошипных прессов является снижение скорости ползуна к концу хода, что позволяет компенсировать рост термоэффекта холодного прессования и в 3-5 раз повысить среднюю скорость и темп работы пресса.
Представляют интерес, в первую очередь, данные разработанной технологии активно-обратного холодного прессования в полунепрерывном режиме без пресс-остатка [15] применительно к производству конструкционных труб диаметром 7,6-20 мм из сплавов АД1, АМц, АД31, АМг2, 1925.
В сравнении с прямым прессованием с отделением пресс-остатка [10], новый технологический процесс создает следующие преимущества:
- увеличение выхода годного с 74,5-77,1 до 90-91 % за счет устранения пресс-остатка и брака из-за ухудшения граничных условий;
- уменьшение концевых отходов;
- улучшение качества поверхности труб за счет обеспечения стабильных условий работы смазочного слоя;
- повышение размерной точности (отклонения наружного диаметра <0,15 мм и толщины <±0,09 мм);
- снижение полного усилия прессования на >10 % при уменьшении усилия на пресс-штемпель на >50 %, что объясняется позитивным действием гидродинамического эффекта клинового слоя смазки на матрице и способствует значительному повышению стой-
кости пресс-инструмента при использовании достаточно высоких значений коэффициентов вытяжки (3<36-40).
Для производства этих конструкционных труб, используемых, например, для радиаторов и маслопроводов, разработан и опробован в промышленных условиях автоматизированный комплекс (рис. 6), включающий механический пресс КА-5530 усилием 1 МН; пресс-инструмент рычажного типа; систему
1 2 3
Рис. 6. Схема автоматизированной части комплекса для холодного активно-обратного прессования тонкостенных труб без пресс-остатка
подачи заготовки в контейнер, работающую синхронно с ползуном пресса; подъемник тары с заготовками к бункеру и устройства приема и подъема прессуемых труб в котловане под прессом, а также компактный агрегат для покрытия заготовок смазочным материалом.
Последовательность операции следующая: смазанные трубные заготовки 1 из тары загружаются в бункер 2 с ориентатором 3, приводимым в возвратно-поступательное движение от электродвигателя 4 с редуктором 5 и рычажным механизмом 6. В результате заготовки поочередно попадают в отсе-катель 7. При рабочем ходе ползуна пресса каретка 8 перемещается реечным механизмом, состоящим из редуктора 9 и горизонтальной 10 и вертикальной 11 реек, к отсека-телю 7, который поштучно выдает заготовки на каретку.
При подъеме внутреннего ползуна пресса вверх каретка 8 перемещает заготовку в
положение, соосное контейнеру 12 в пресс-инструменте 13. В полость контейнера заготовка заталкивается механизмом 14. Во время рабочего хода ползуна пресса каретка 8 возвращается в исходное положение и производится прессование трубы при опережающем пресс-штемпель с иглой движением контейнера 12. Опережающее движение контейнера задается рычажным механизмом. Затем рабочий цикл повторяется с заданными параметрами.
Техническая характеристика установки для холодного активно-обратного прессования (по рис. 6) Допутимое номинальное усилие пресса, МН..................1-1,6
Закрытая высота пресс-инструмента, мм......................467
Рабочий ход пресс-штемпеля,
мм...............................80
Рабочий ход контейнера, мм........96
Диапазон кинематического
коэффициента К]/...............1,25-1,3
Число ходов полувтулок
ориентатора, ход/мин..............80
Максимальные размеры заготовки (диаметр х высота),
мм х мм........................35x80
Максимальное давление
в контейнере, МПа............... 1100
Размеры сечения прессуемых труб, мм х мм.........(7,2-14,2)х(0,5-1,0)
Максимальная длина трубы,
мм .............................. 3200
Мощность электродвигателя
привода ориентатора, кВт........... 1,5
Надежность и безопасность работы обеспечиваются применением блокировок для отключения пресса при сбоях в системе загрузки.
Предусмотрен также вариант работы пресса без системы загрузки заготовок: они подаются вручную непосредственно в контейнер (подобно аналогу для прямого прессования) [10].
При очередном цикле в контейнер подается следующая заготовка, которая продавливает пресс-остаток предыдущей заготовки и формируется в очередную трубу. Трубы разделяются в бункере самопроизвольно. При необходимости скоростного охлаждения трубы
во время ее истечения подключается обдув сжатым воздухом к зоне приемного желоба в бункере.
Поскольку этот комплекс имеет облегченную конструкцию и работает без ударов, то его можно размещать на втором этаже производственного здания. В этом случае зона бункера попадает в секцию на первом этаже, занимая по высоте пространство между перекрытиями.
Технологический цикл производства конструкционных холоднопрессованных труб включает следующие операции: разрезание горячепрессованных (и отожженных при необходимости) труб на мерные заготовки; обезжиривание заготовок и нанесение на них смазочного материала; механизированную подачу смазанных заготовок в контейнер в соответствии с заданным темпом прессования; активно-обратное прессование труб в полунепрерывном режиме без отделения пресс-остатка с использованием гидродинамического эффекта в зонах контейнера и матрицы; удаление возможных обсечек из контейнера и матрицы обдувом сжатым воздухом; прием, комплектование и подъем наверх прессованных труб; правку и разрезку труб; контроль размеров и качества готовых пресс-изделий.
После холодного активно-обратного прессования трубы характеризуются достаточно равномерными свойствами по длине и повышенным качеством поверхности, не уступающим полированным, что объясняется стабилизацией граничных и температурных условий за счет эффективного режима работы смазочного материала, заданным снижением Kv на 15-18 % (использована особенность диаграммы «скорость - ход» кривошипного пресса) и дополнительным охлаждающим обдувом прессуемой трубы в котловане.
Пределы прочности и текучести труб из нетермообрабатываемых алюминиевых сплавов АД1 и АМг2 превышают на 10-30 % (в среднем на 15-18 %) значения аналогичных характеристик для холодноволоченных труб.
Вместе с тем данные об исследовании в США, Англии, Германии термоупрочняемой
обработки, представленные, например, в работе [3], оставляют большие сомнения в области достаточно полного освоения такого варианта производства холоднопрессованных изделий из твердых сплавов Д1, В65, АК8 и подобных им с использованием последующей закалки, особенно применительно к объектам новой техники в ракето- и автомобилестроении, ядерной технике, машиностроении и других отраслях. Активность публикаций в 50-60-х годах и отсутствие информационных данных о развитии [13] служит подтверждением выводу автора об «эффекте тупикового направления» в версии «холодное прессование высоколегированных алюминиевых сплавов»: прочные пресс-изделия -привилегия горячих режимов прессования и качественной термообработки.
Заключение
На данном этапе возможного освоения машиностроительными предприятиями технологии и простого оборудования для холодного прессования конструкционных труб и профилей с интенсивной подачей смазочного материала в зону матрицы целесообразно использовать мало- и среднелегированные алюминиевые сплавы.
Адекватность условиям машиностроительного производства этой новой технологии подтверждается следующими ее особенностями: компактностью прессовой установки; отсутствием необходимости в нагревательных печах; высокой износостойкостью холодного пресс-инструмента со смазкой; легко достижимой оптимизацией смазочного материала по факторам « работоспособность» и «экологическая безопасноть»; возможностью минимизации неравномерности деформации и максимизации скоростей истечения без разрыва слоя смазки и без трещин; достижением беспримерных для горячего прессования точности размеров пресс-изделия и качества его поверхности; улучшением условий труда; кардинальной экономией в затратах энергии и производственной площади; приближением, подобно холодной листовой и объемной штамповки, к условиям машиностроительного производства [1-4].
Владея такой техникой прессования, ма-шино- или приборостроительный завод получает возможность оперативного и экономичного производства с заданной серийностью
высокоточных и качественных конструкционных труб и сплошных профилей, используемых в форме деталей при сборке собственной продукции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эверхард Э. Холодное прессование металлов/ Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1968.146 с.
2. Уик Ч. Обработка металлов без снятия стружки/Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 548 с.
3. Журавлев Ф.В., Райтбарг Л.Х., Соломо-ник Е.Я. Холодное прессование алюминия и его сплавов. - М.: ВИЛС, 1964. - 77 с.
4. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1975. - 448 с.
5. Колпашников А.И., Вялов В.А. Гидропрессование металлов. - М.: Металлургия, 1973. -296 с.
6. Залесский В.И., Векшин Б.С. Гидромеханическое прессование тонкостенных труб//Кузнеч-но-штамповочное производство. 1967. № 4. С. 1-3.
7. Активное и гидростатическое прессование/Ох-рименко Я.М., Бережной В.Л., Векшин Б.С., Соловьев В.Я., Щерба В.Н. - М.: Машиностроение, 1975. - 56 с.
8. Спусканюк В.З., Соловьев Н.Л., Черный Ю.Ф. Холодное гидропрессование на механических прессах//Кузнечно-штамповочное производство. 1979. № 9. С. 6-7.
9. Бережной В.Л. Исследование процесса про-
дольного прессования с принудительным движением контейнера//Автореферат диссерт. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. - М.: МИСиС. 1968. 34 с.
10. Эпштейн Г.Г., Мелков К.И. Инструмент для холодного прессования труб из алюминиевых сплавов//Цветные металлы. 1966. № 5. С. 7579.
11. Эпштейн Г.Г., Бережной В.Л., Шишков Г.И. и
др. Опробование полунепрерывного процесса холодного прессования труб прямым истечением/цветные металлы. 1976. № 4. C. 64-66.
12. Авт. свид. СССР № 671091. Бережной В.Л., Рожков В.М., Холин Ю.Т., Эпштейн Г.Г. и др. Поточная линия для производства труб и профилей холодным прессованием. Заявл. 03.08.1977.
13. Bauser M., Sauer G., Siegert K. Extrusion/2nd Ed. - USA, ASM International, Material Park, OH, 2006. 592 p.
14. Журавлев А.З., Эпштейн Г.Г., Бережной В.Л., Мороз Б.С. Полунепрерывное прессование труб в режиме активного трения//Технология легких сплавов. 1974. № 4. С. 32-36.
15. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. - М.: Металлургия, 1988. - 296 с.
