CC BY
16
_ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ_
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.И. Галкин
УДК 621.73
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-65-70
УСТАНОВКА ПОДОГРЕВА ШТАМПОВОЙ ОСНАСТКИ
ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ КРУПНЫХ ЗАГОТОВОК
Федор Евгеньевич Тарасов1, канд. техн. наук, Василий Эдуардович Фризен1, докт. техн. наук, Сергей Алексеевич Бычков1, канд. техн. наук, Салават Мирдасович Фаткуллин1, канд. техн. наук, Борис Владимирович Овсянников2, канд. техн. наук, Иван Александрович Смольянов1
1Уральский федеральный университет им. Первого Президента России
Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия 2Каменск-Уральский металлургический завод, Каменск-Уральский, Свердловская область, Россия, OvsyannikovBV@kumw.ru
Аннотация. В работе приводится описание реализованной индукционной установки подогрева штамповой оснастки для вертикального гидравлического пресса усилием 300 МН для штамповки лопастей. Описывается компьютерная модель для моделирования связанных электромагнитных и тепловых процессов. Приводятся результаты натурного эксперимента по подогреву штампового инструмента, результаты верификации компьютерной модели с этим экспериментом. Сравниваются расходы электроэнергии на подогрев штампового инструмента, затраченные по традиционной и предлагаемой технологиям.
Ключевые слова: штамповый инструмент, индукционный нагрев, индуктор, компьютерная модель
Heating Plant for Die Tooling Used in Isothermal Forging of Large Billets. Cand. of Sci. (Eng.) Fedor Ye. Tarasov1, Dr. of Sci. (Eng.) Vasily E. Friesen1, Cand. of Sci. (Eng.) Sergey A. Bychkov2, Cand. of Sci. (Eng.) Salavat M. Fatkullin1, Cand. of Sci. (Eng.) Boris V. Ovsyannikov2, Ivan A. Smolyanov1
1Ural Federal University named after B.N. Yeltsin, the first President of Russia (UrFU), Ekaterinburg, Russia
2Kamensk-Uralsk Metallurgical Works J.S. Co., Kamensk-Uralsk, Sverdlovsk region, Russia, OvsyannikovBV@kumw.ru
Abstract. The paper describes the installed induction unit to heat the die tooling used in 300 MN vertical hydraulic press for blade forging. A computer model to simulate the relevant electromagnetic and thermal processes is described. The results of a full-scale experiment on heating of die tooling and the results of verification of the computer model with this experiment are presented. The cost of electrical power needed for heating the die tooling according to the conventional and proposed technologies is compared.
Key words: die tooling, induction heating, inductor, computer model
Горячая штамповка является достаточно распространенным процессом получения деталей, позволяющим снизить расход металла и стоимость готового изделия по сравнению,
например, с механической обработкой заготовок. При горячей штамповке готовое изделие получают из нагретой до определенной температуры заготовки, подвергая ее пластической
Рис. 1. Вертикальный гидравлический пресс усилием 300 МН с установкой индукционного подогрева штампового инструмента в ОАО «КУМЗ»
деформации в штамповом инструменте. Для поддержания необходимой температуры металла во время деформации необходимо, чтобы температура штампового инструмента была близка к температуре деформируемого металла. В противном случае деформируемый в процессе прессования металл остывает, передавая тепло штамповой оснастке, что приводит к образованию дефектов в штампованной детали. При штамповке крупных деталей этот фактор определяет время работы пресса, поскольку использовать существующие на данный момент системы подогрева штампового инструмента, пригодные для работы прессов относительно небольших габаритов в данном случае не представляется возможным из-за большой массы штампового инструмента. В статьях [1-6] описывается система индукционного подогрева штампового инструмента для штамповки крупных заготовок. Технические ре-
шения, использованные при создании системы подогрева, защищены патентом [7]. Описанная в публикациях установка(рис. 1, 2) реализована в ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», г. Каменск-Уральский.
При наладке системы подогрева штампового инструмента возникает вопрос управления его температурным режимом. Система подогрева снабжена регуляторами температуры, которые нуждаются в настройке, т.е. определении параметров регуляторов при смене штамповой оснастки. В условиях производства проводить наладку по экспериментальным данным, полученным при пробных режимах нагрева, достаточно сложно ввиду высокой стоимости проводимых работ, поэтому удобнее налаживать систему управления с помощью компьютерной модели системы нагрева.
Компьютерная модель, построенная с использованием методов численного моделирования, является общепринятым и достоверным инструментом для анализа электротермических устройств, в частности установок индукционного нагрева и индукционных тигельных печей [8, 9]. Решаемая задача является мультифизической, т.е. связывает расчеты магнитных и температурных полей. Термин «задача» здесь означает решение уравнений теплового и магнитного полей в частных производных со значительной разницей постоянных времени у этих уравнений.
Переменное магнитное поле в классической физике описывается уравнением
го1
дД , дт
(1)
Рис. 2. Система индукционного нагревания штамповой оснастки с плоскими индукторами:
1 - источник питания индукционной установки; 2 и 3 - блоки из четырех индукторов соответственно верхней и нижней частей инструмента; 4 - опора пресса
здесь ц - магнитная проницаемость; у - электропроводность.
Это уравнение содержит временную производную векторного магнитного потенциала А, а источник магнитного поля - внешняя плотность тока Jext - изменяется во времени по гармоническому закону с частотой источника питания f. Температурное поле описывается известным уравнением
дТ
сПу(Х дгас1(Т)) = р Ср — - м,
дТ
(2)
где X - теплопроводность; р - плотность;
Cp - удельная теплоемкость; w - объемный интегральный внутренний источник мощности состоит из нагрева сопротивлением и определяется по закону Джоуля-Ленца.
Расчет задачи температурного поля необходимо проводить до установления температурного поля в нагреваемой заготовке (до 8 ч), в следствие чего задача становится очень требовательной к вычислительным ресурсам и времени расчета. Это практически не позволяет использовать динамическую А-формулировку магнитного поля (1). Предполагая, что магнитное поле подчиняется гармоническому закону и размеры расчетной области меньше длины волны магнитного поля, можно перейти с помощью преобразования Лапласа от динамической формулировки уравнения (1) к гармонической (3), заменяя производную по времени комплексным значением, умноженным на угловую частоту магнитного поля у'ю, и, переходя к комплексному значению А, получим:
го^го^Д)) + \ цюуД = ^ех{. (3)
Тогда член w уравнения (2) можно записать в следующем виде:
м =
М/псН У
(4)
Аш = } ®УД.
(5)
где комплексное значение плотности индуцированного тока J¡nd определяется уравнением
Распределение температуры рассчитывается только в объеме штампового инструмента 1,
Рис. 3. Геометрия подогреваемого лопастного штампового инструмента:
1 - штамповый инструмент; 2 - опорная плита; 3 - стальная плита
стальной 3 и опорной 2 плитах (рис. 3) для экономии вычислительных ресурсов. Отвод тепла в окружающую среду задается с использованием коэффициентов теплоотдачи, полученных экспериментально, а на поверхностях с тепловой изоляцией используется граничное условие, имитирующее многослойную тепловую стенку.
Было отмечено, что изменение распределения температуры в исследуемой области существенно не влияет на распределение магнитного поля. Поэтому для обеспечения требуемой точности расчетов достаточно рассчитать магнитную задачу только для начального момента времени, на основе которой проводится расчет распределения тепловой энергии в штамповой оснастке в процессе работы. Полученное распределение мощности тепловыделения является базисным (максимальным) значением тепловой мощности, выделяемой в нагрузке. Во время расчета значение мощности тепловыделения в штампе варьируется с изменением температуры и вычисляется умножением исходного значения мощности тепловыделения на нелинейный коэффициент, который зависит от максимальной температуры штампового инструмента. Вычисления проводились с помощью метода конечных элементов в трехмерной постановке.
Расположение индукторов на нагреваемом штампе представлено на рис. 4. В ходе проведенных множественных вычислительных экспериментов по разработанной математической
2
модели были просчитаны различные режимы нагрева штампового инструмента и сделаны следующие выводы: мощности 40 кВт на каж-
Индуктар 4
Индуктор 3
Рис. 4. Расположение индукторов на прессе с установленными лопастными штамповыми инструментами:
а - эскиз установки индукторов на нижний штамповый инструмент; б - реальный вид установки индукторов на верхний и нижний штамповые инструменты
560
540
Г)
о 520
ci
к 500
cd
5Г 480
S
£ 460
440
420
400
600
1200 1800 2400 Время, с
3000 3600
Рис. 5. График температур нагрева нижнего штампового инструмента на прессе (экспериментальные данные):
1, 2, 3, 4 - термопары измерения температуры боковой стенки инструмента для индукторов , 2, 3, 4 соответственно; 5 -термопара измерения температуры штампового инструмента, на поверхности формы для штампования
дый индуктор достаточно, чтобы поддерживать среднюю температуру поверхности штампового инструмента на уровне 550 °С в течение 8 ч. Картина магнитного поля в системе индуктор-загрузка, полученная в ходе компьютерного моделирования, соответствует теоретическим и практическим представлениям о данном явлении (поле сконцентрировано в тонком слое на поверхности штампового инструмента напротив индуктора). Это приводит к тому, что мощность тепловыделения также сконцентрирована на поверхности инструмента и в центральной его части температура несколько ниже, чем на поверхности. Неравномерность распределения температуры также можно наблюдать в местах с неравномерной геометрией (вырезы и зазоры). Однако наличие значительных температурных градиентов на поверхности штампового инструмента не приводит к искажению температурного поля на поверхности штампа, где равномерность распределения температуры является критическим параметром для обеспечения требуемого качества штамповки.
Был проведен физический эксперимент на собранной установке индукционного подогрева штамповой оснастки с целью отладки режимов работы для стабилизации температуры штам-пового инструмента в диапазоне температур 380-450 °С. Нагрев проводился в течение нескольких дней с апробацией работоспособности и качества подогрева в течение 44 ч. Каждый индуктор снабжен термопарой для контроля температуры и блоком управления процессом нагрева. На рис. 5 представлена часть графика нагрева во временной выборке с диапазоном 1 ч (3600 с).
На рис. 6 приведен график мощностей, потребляемых источниками питания индукторов 1-4. Процесс управления нагревом реализован посредством двухпозиционного регулирования - при достижении заданной температуры включения происходит включение нагрева на полную мощность индуктора для нагрева; при достижении требуемой температуры выключения - отключение питания индуктора. Частота тока источника питания индукторов 4 кГц.
Для верификации компьютерной модели в нее в качестве исходных были заданы полученные экспериментальные данные с графиков мощностей (за вычетом потерь на токо-подводящих линиях, источнике питания и бло-
1200 1800 2400 Время, с
3600
Рис. 6. График мощностей нагрева нижнего штампового инструмента на прессе:
1, 2, 3, 4 - потребляемая мощность источников питания индукторов 1, 2, 3, 4 соответственно
580 560 " 540 I 520 й 500 | 480 | 460 440 420 400
фттшмттттттттц
-_
600
1200
1800 2400
, с
3000 3600
Рис. 7. Результаты расчета температур по компьютерной модели:
1 - 4 - температура боковой стенки штампового инструмента индукторов 1-4 соответственно; 5 - температура штампового инструмента, на поверхности формы для штампования
ке конденсаторов) и начальных температур (см. рис. 5, 6). Получены результаты (рис. 7), по которым видно, что температуры боковых стенок штампового инструмента под индуктором имеют расхождение с экспериментальными данными от 3 до 5 %, а температуры поверхности штампа - не более 7 %.
Технология штамповки на вертикальном гидравлическом прессе усилием 300 МН до внедрения системы индукционного подогрева штампового инструмента осуществлялась следующим образом: нагретые в печи сопротивления до температуры от 380 до 450 °С штам-повые инструменты устанавливали на пресс, после чего начинался процесс штамповки. Со снижением температуры штампового инструмента пресса ниже минимальной допустимой температуры штамповый инструмент снимали и отправляли в печь сопротивления для по-
догрева до требуемой согласно технологическому процессу температуры. Обычно время штамповки составляет от 1,5 до 2 ч и за это время изготавливается от 15 до 30 штамповок. Нормативная производительность прессового оборудования составляет 18 деталей в час. Среднее время подогрева (выдержки) штампо-вого инструмента в печи 9 ч. Поэтому, помимо временных затрат на простой оборудования, очень важен параметр расхода электроэнергии на единицу продукции, производимой на прессе. В ходе данной работы был проведен расчет расхода электроэнергии на подогрев штампо-вого инструмента в двух случаях:
1. Подогрев штампового инструмента в печи сопротивления (традиционный). Среднее время подогрева по технологической инструкции 9 ч. Номинальная мощность печи 400 кВт, периодичность включения нагревателей в режиме подогрева штампового инструмента 0,5.
2. Подогрев штампового инструмента при помощи индукционной установки. Установка состоит из 8 индукторов: по 4 индуктора установлено на нижнем и верхнем штамповых инструментах. Номинальная мощность источников питания индукторов 40 кВт. Соотношение времени работы и времени цикла включения всех индукторов в режиме поддержания температуры инструмента составляет в среднем 0,6.
Для расчета принималось, что за 2 ч штамповки удается отштамповать 36 деталей. В первом случае после цикла штамповки в течение 2 ч штамповая оснастка остывает ниже критической температуры, и ее снимают с пресса для подогрева в печи сопротивления в течение 9 ч. Во втором случае температура штампового инструмента в процессе работы стабилизируется и цикл производства деталей может быть продолжен. Расход электроэнергии на производство одной заготовки за вычетом расхода на первоначальный нагрев оснастки в первом случае составляет 400 • 0,5 • 9/36 = 50 кВт • ч, а во втором случае (с использованием системы индукционного подогрева) 40 • 8 • 0,6 • 2/36 = 10,7 кВт • ч.
Выводы
Применение разработанной компьютерной модели позволило с достаточной для наладки
системы управления точностью промоделировать режимы работы индукционной установки подогрева штамповой оснастки.
Установка индукционного нагрева штамповой оснастки для изотермической штамповки крупных заготовок позволяет реализовать подогрев штампового инструмента с необходимыми температурными режимами, при этом не требуется затрат времени на смену штамповых инструментов при их остывании (исключается вынужденный простой пресса) и уменьшается расход электроэнергии на подогрев инструмента в 4,7 раза.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № 07511-2019-028 (Разработка технологии и комплекса энергоэффективного индукционного оборудования подогрева штамповой оснастки к вертикальному гидравлическому прессу усилием 300 МН для производства штамповых изделий авиационной промышленности из магниевых и алюминиевых сплавов).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смольянов И.А., Тарасов Ф.Е., Швыдкий Е.Л.
Численный расчет индукционного нагрева крупногабаритных объектов // Электрометаллургия. 2021. № 6. С. 9-17.
2. Фризен В.Э., Тарасов Ф.Е., Смольянов И.А., Швыдкий Е.Л. Система индукционного подогрева штамповой оснастки пресса для изотермической штамповки крупногабаритных деталей // Вестник машиностроения. 2021. № 7. С. 64-67.
3. Frizen V., Tarasov F., Bychkov S., Fatkullin S., Sarapulov S. Induction heating system for die tooling of press for isothermal stamping of large-sized parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 950. Iss. 1. 012011.
4. Tarasov F.E., Shmakov E.I. Induction Heating of the Large-Size Installations. Part 1. Study on the Power Frequency Dependence of the Heating Efficiency // 2021 Ural-Siberian Smart Energy Conference, USSEC 2021. P. 167-170.
5. Frizen V.E., Tarasov F.E., Smol'yanov I.A., Shvyd-kii E.L. Inductive Die Heating in Isothermal Stamping
of Large Components // Russian Engineering Research. 2021. T. 41. № 10. P. 919-923.
6. Smol'yanov I.A., Tarasov F.E., Shvydkii E.L.
Numerical Calculation of the Induction Heating of Large Objects // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 12. P. 1510-1516.
7. Пат. 209376 Российская Федерация, МПК Н 05 В 6/10б, Н 05 В 6/36. Индуктор / Сарапулов С.Ф., Фризен В.Э., Бычков С.А., Тарасов Ф.Е., Смольянов И.А., Швыдкий Е.Л., Овсянников Б.В., Бурибаев Э.И., Кали-стратов А.А.; заявитель и патентообладатель КУМЗ и УрФУ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина. -№ 2021131385; заявл. 26.10.21; опубл. 15.03.22. - 10 с: ил. - Текст: непосредственный.
8. Кувалдин А.Б., Погребисский М.Я., Федин М.А. Расчет тепловых и электрических характеристик индукционных тигельных миксеров // Электрометаллургия. 2007. № 12. С. 18-27.
9. Кувалдин А.Б. Компьютерное моделирование при изучении и расчете индукционных установок // Электрометаллургия. 2011. № 1. С. 37-45.
REFERENCES
1. Smol'yanov I.A., Tarasov F.Ye., Shvydkiy Ye.L.
Chislennyy raschet induktsionnogo nagreva krupno-gabaritnykh ob»yektov // Elektrometallurgiya. 2021. № 6. S. 9-17.
2. Frizen V.E., Tarasov F.Ye., Smol'yanov I.A., Shvydkiy Ye.L. Sistema induktsionnogo podogreva shtampovoy osnastki pressa dlya izotermicheskoy shtampovki krupnogabaritnykh detaley // Vestnik mashinostroyeniya. 2021. № 7. S. 64-67.
3. Frizen V., Tarasov F., Bychkov S., Fatkullin S., Sarapulov S. Induction heating system for die tooling of press for isothermal stamping of large-sized parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 950. Iss. 1. 012011.
4. Tarasov F.E., Shmakov E.I. Induction Heating of the Large-Size Installations. Part 1. Study on the Power Frequency Dependence of the Heating Efficiency // 2021 Ural-Siberian Smart Energy Conference, US-SEC 2021. P. 167-170.
5. Frizen V.E., Tarasov F.E., Smol'yanov I.A., Shvyd-kii E.L. Inductive Die Heating in Isothermal Stamping
of Large Components // Russian Engineering Research. 2021. T 41, № 10. P. 919-923.
6. Smol'yanov I.A., Tarasov F.E., Shvydkii E.L. Numerical Calculation of the Induction Heating of Large Objects // Russian Metallurgy (Metally). 2021. № 12. P. 1510-1516.
7. Pat. 209376 Rossiyskaya Federatsiya, MPK N 05 V 6/10b, N 05 V 6/36. Induktor / Sarapulov S.F., Frizen V.E., Bychkov S.A., Tarasov F. Ye., Smol'yanov I.A., Shvydkiy Ye.L., Ovsyannikov B.V., Buribayev E.I., Ka-listratov A.A.; zayavitel' i patentoobladatel' KUMZ i UrFU im. Pervogo Prezidenta Rossii B.N. Yel'tsina. -№ 2021131385; zayavl. 26.10.21; opubl. 15.03.22. -10 s: il. - Tekst: neposredstvennyy.
8. Kuvaldin A.B., Pogrebisskiy M.Ya., Fedin M.A. Raschet teplovykh i elektricheskikh kharakteristik in-duktsionnykh tigel'nykh mikserov // Elektrometallur-giya. 2007. № 12. S. 18-27.
9. Kuvaldin A.B. Komp'yuternoye modelirovaniye pri izuchenii i raschete induktsionnykh ustanovok // Elektrometallurgiya. 2011. № 1. S. 37-45.
