CC BY
19
1. Ахатов Р.Х. Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 104 с.
2. Павлов В.В. Основы автоматизации проектирования технологических процессов сборки летательных аппаратов: учеб. пособие / Моск. авиац. технол. ин-т им. Циолковского.
ский список
М.: МАТИ, 1975. С.5-8.
3. ГОСТ 2145-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1982. 36 с.
4. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.А. Высшая математика в упражнениях и задачах: учеб. пособие для вузов. В 2 ч. М.: ОНИКС, 2007. Ч.1. 303 с.
УДК 621.979.065
ТЕПЛОЗАЩИТА ЭЛЕМЕНТОВ КОВОЧНОГО ПРЕССА С КОЛОННЫМ ИСПОЛНЕНИЕМ СТАНИНЫ
1 л 4 4
© В.И. Новиков1, В.И. Кадошников2, Е.В. Куликова3, И.М. Ячиков4
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 455000, Россия, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38.
Рассмотрен нестационарный радиационно-конвективный теплообмен в системе «ковочный пресс - поковка». Описаны факторы, влияющие на нагрев деталей пресса, и последствия нагрева отдельных деталей. Предложен способ защиты направляющих колонн ковочного пресса от нагрева. Ил. 5. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: ковочный пресс; радиационно-конвективный теплообмен; деформация станины; колонна; подвижная поперечина.
THERMAL PROTECTION OF COLUMN-TYPE FORGING PRESS ELEMENTS V.I. Novikov, V.I. Kadoshnikov, E.V. Kulikova, I.M. Yachikov
Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, 38 Lenin Av., Magnitogorsk, Russia, 455000.
The paper considers a radiation-convective heat exchange in the system of "forging press - forged piece". It describes the factors affecting the heating of press parts and the effects of some parts heating. A method to protect forging press guide columns from heating is proposed. 5 figures. 3 sources.
Key words: forging press; radiation-convective heat transfer; bed deformation; column; plunger crosshead.
Свободная ковка является универсальным процессом ОМД (обработка металлов давлением), благодаря которому можно получать поковки разных габаритных размеров. Применение ковки позволяет существенно снизить расход материала при дальнейшей механической обработке, исправить дефекты литой структуры. Получение детали наиболее близкой по конфигурации к готовой продукции позволяет значительно снизить трудозатраты. Для получения крупногабаритных деталей, а также для протяжки слитков и рубки на более мелкие заготовки применяются мощные гидравлические ковочные прессы. Существует несколько основных типов исполнения гидравлических ковочных прессов, различающихся расположением и типом привода, конструкцией станины, количеством рабочих цилиндров. В условиях машиностроительных и ремонтных предприятий наибольшее распространение получили ковочные прессы с верхним расположением привода, неподвижной станиной в четырехко-лонном исполнении.
Действие гидравлического пресса основано на том, что в замкнутой гидросистеме давление жидкости во всех направлениях в любой точке системы практически одинаково. Благодаря давлению жидкости в рабочих цилиндрах на плунжеры, усилие через подвижную поперечину передается на рабочий инструмент - верхний боек, которым осуществляется деформация нагретой до ковочной температуры заготовки, расположенной на нижнем бойке.
На сегодняшний день опубликован ряд работ, посвященных исследованию мощных гидравлических прессов с колонным исполнением станины [1, 2]. Основным объектом данных исследований является работа пресса в условиях эксцентриситета расположения обрабатываемой заготовки, что, в свою очередь, приводит к неравномерному напряженно-деформированному состоянию станины. В этих работах не учитывается влияние заготовки, нагретой до ковочной температуры, на детали и узлы ковочного пресса (за исключением взаимодействия обрабатываемой заго-
1Новиков Валерий Иванович, аспирант, e-mail: [email protected] Novikov Valery, Postgraduate, e-mail: [email protected]
2Кадошников Владимир Иванович, кандидат технических наук, e-mail: [email protected]
Kadoshnikov Vladimir, Candidate of technical sciences, e-mail: [email protected]
3Куликова Екатерина Владимировна, кандидат технических наук.
Kulikova Ekaterina, Candidate of technical sciences.
4Ячиков Игорь Михайлович, доктор технических наук.
Yachikov Igor, Doctor of technical sciences.
товки с рабочим инструментом), а оно может быть довольно существенным, т.к. температура многих деталей пресса может доходить до 400°С.
Тепловой цикл ковки состоит из нескольких периодов:
- Нагрев заготовки в термической печи до верхней ковочной температуры.
- Транспортировка нагретой заготовки к ковочному прессу, где происходит потеря ею тепла вследствие взаимодействия с поверхностью рабочего инструмента манипулятора, конвекции и теплового излучения в окружающее пространство.
- Деформация заготовки до момента, пока она не остынет до нижнего предела ковочной температуры. Потеря тепла нагретой заготовки происходит при ее взаимодействии с окружающим пространством и ковочным прессом. Незначительный нагрев деформируемой заготовки появляется за счет диссипации части механической энергии пластического деформирования и работы контактных и внутренних сил трения.
- Изъятие деформированной заготовки из рабочего пространства ковочного пресса, повторный ее нагрев для дальнейшей деформации либо подача к ковочному прессу новой нагретой заготовки. В этот период происходит остывание деталей ковочного пресса за счет процессов теплопередачи в окружающую среду.
Таким образом, ковочный пресс работает в условиях сложного нестационарного теплообмена. В процессе ковки происходит нагрев деталей и узлов пресса за счет излучения, конвекции и теплопроводности. Но вследствие высокой температуры нагретой заготовки доля тепла, передаваемая при помощи конвекции, незначительная и составляет в интервале ковочной температуры (для малоуглеродистых сталей 800— 1250°С) порядка 10-15% от общего теплообмена. Тепловое излучение будет являться основным источником нагрева деталей ковочного пресса (за исключением рабочего инструмента, непосредственно контактирующего с нагретой заготовкой и нагреваемого в
значительной степени за счет теплопроводности).
Из-за нагрева детали и узлы пресса деформируются, следовательно, деформируется и вся конструкция пресса в целом. Сложный пространственно-временной характер температурной деформации пресса зависит от многих факторов [3]: конструкции и размеров пресса; материалов и теплофизических характеристик базовых деталей; режима работы пресса (продолжительности и частоты теплового воздействия); формы; температуры и состояния поверхности обрабатываемой заготовки; условий теплообмена и т.д.
Так как базовые детали в прессе связаны в одну конструкцию - пространственную замкнутую раму, большое значение имеет не только сам процесс нагрева, но и равномерность нагрева базовых деталей. В конструкции ковочного колонного пресса наиболее ответственной и одной из самых нагруженных базовых деталей являются колонны. На практике не удается достичь равномерной температуры базовых деталей, так как они имеют разную удаленность от источника тепла, наличие воды на некоторых поверхностях (в районе охлаждаемого топора для разделки заготовки). На рис. 1 представлена термограмма ковочного пресса «United» США усилием 22,5 МН, эксплуатируемого в условиях ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», полученная при помощи тепловизора ThermaCAM S65 (производитель «Flir Systems» США). Температура деталей и узлов пресса была зафиксирована после деформации двух заготовок-слитков массой 4,1 т на заготовку с сечением в виде квадрата 370 мм, начальная температура 1250°C, конечная -800°C. На термограмме можно отметить различие в нагреве колонн в результате теплового воздействия горячей заготовки. Температура колонн различна по периметру и высоте, имеет место также различие в температуре между колоннами в сопоставимых зонах, которое составляет около 10°C, это связано с тем, что процесс работы ковочного пресса сопровождается
Рис. 1. Термограмма ковочного пресса усилием 22,5 МН
несовпадением оси обрабатываемой заготовки с центральной осью пресса (имеет место эксцентриситет). В результате неравномерного нагрева колонн происходит неравномерное их температурное расширение, удлинение и как следствие возникновение неравномерного напряжённо-деформированного состояния. Неравномерность нагрева связана с характером взаимного расположения нагретой заготовки и оборудования, природой распространения теплового излучения (рис. 2 ).
Рис. 2. Зоны максимального нагрева колонн при ковке заготовки: 1 - колонна; 2 - обрабатываемая заготовка; 3 - подвижная поперечина
Кроме возникновения напряжений в колоннах были отмечены и другие негативные последствия, к которым приводит неравномерный нагрев деталей и узлов пресса:
- снижение защищающей способности к износу масляной пленки на направляющих колоннах;
- перекос верхней неподвижной поперечины (архитрава);
- раскрытие стыков в узле «колонна - гайка - поперечина»;
- возникновение напряжений в узле «колонна -гайка - поперечина»;
- износ направляющих деталей и уплотнений рабочих цилиндров;
- возникновение дополнительных напряжений в колоннах, что повышает вероятность их разрушения;
- снижение точности процесса ковки.
Влияние температурного режима на деформацию колонн экспериментально изучали на физической модели, уменьшенной в 30 раз. Была исследована зависимость нагрева колонн от расположения нагретой заготовки. Для этого в рабочее пространство модели помещался стальной стержень, который подвергался нагреву через трансформатор до 1200°С, и устанавливались изолированные от воздействия лучистого тепла индикаторы часового типа ИЧ 02 ГОСТ 577-68 для фиксации отклонения верхней неподвижной поперечины. На рис. 3 представлены данные по зависимости нагрева колонн от расположения нагретой заготовки. Во время проведения эксперимента заготовка размещалась между колоннами 1, 2 и 3, 4. Замеры температуры производились пирометром IMPAC {N15 (Германия) в максимально нагретой области колонны. Изначально заготовка располагалась без эксцентриситета относительно центральной оси лабораторной модели пресса, затем она смещалась в сторону колонны № 3, 4 соответственно на 5 и 10 мм.
Проведенные на модели колонного пресса исследования подтверждают отрицательное влияние температуры нагретой заготовки на ковочный пресс с колонным исполнением станины. Были разработаны и реализованы мероприятия по их снижению. В [2] рассматривается влияние нагретой заготовки на детали и узлы пресса и приводятся способы, позволяющие уменьшить тепловой поток и его воздействие на колонны пресса, среди которых возможность использо-
2 3
Номер колонны
Рис. 3. Нагрев колонн при смещении заготовки
вания в полых колоннах водяного охлаждения и применение цепных завес считаются наиболее эффективными способами защиты от потоков теплового излучения.
Современное материаловедение предлагает использовать для теплозащиты достаточно широкий спектр композиционных материалов, по прочности не уступающих, а по теплоизоляции и теплоотражению значительно превосходящих цепные завесы, а также благодаря плотности исключающих попадание окалины на направляющие колонны (рис. 4), что позволяет снизить износ как направляющих колонн, так и втулок подвижной поперечины. Для оценки их эффективности на уже вышеописанной уменьшенной модели пресса были проведены дополнительные лабораторные испытания, в ходе которых исследовали возможности по снижению влияния лучистого тепла на колонны пресса. Для этого были применены как цепные завесы, так и кожухи из алюмосиликатного волокна со стеклянным ровингом. На рис. 5 представлены результаты эксперимента, в котором нагретая заготовка располагалась со смещением 10 мм в сторону колонны №3, 4. Видно, что использование для изготовления защитного кожуха композиционного материала позволит снизить нагрев колонн, соответственно уменьшить их тепловую деформацию, а также снизить разницу между температурами колонн.
колонном прессе тепловому воздействию подвержены не только рабочий инструмент, непосредственно соприкасающийся с нагретой заготовкой, но и направляющие колонны с подвижной поперечиной.
Рис. 4. Использование защитного кожуха для колонн ковочного пресса
Рис. 5. Эффективность защитных завес
Обобщая вышеизложенное, можно сделать сле- 2. По результатам лабораторных исследований
дующие выводы:
1. На основе термограмм, полученных с использованием тепловизора, установленно, что в ковочном
предложено использование защитных кожухов для направляющих колонн, изготовленных из композиционного материала.
Библиографический список
1. Коркин Н.П., Сурков И.А. Влияние эксцентриситета МАШГИЗ, 1958. 239 с нагружения на напряженное состояние колонн мощного гидравлического пресса // КШП. ОМД. 2008. № 5. С.40-43.
2. Мюллер Э. Гидравлические ковочные прессы. М.:
3. Стародубов В.С. Температурные деформации станков с ЧПУ, способы их снижения и коррекции // Вестник машиностроения. 2008. №2. С. 48-53.
