Оптимизация температурно-скоростных параметров процесса прессования для достижения максимальной производительности и требуемого уровня качества пресс-изделий

Процесс прессования является оптимальным, если получаемые пресс-изделия отвечают предъявляемым к ним требованиям по критериям качества, а используемые прессы полностью загружены по усилию и производительности.

Температурный режим прессования имеет решающее значение для создания оптимальных условий процесса прессования: достижения максимально-возможной скорости прессования (МВСП) и требуемого качества пресс-изделий. С одной стороны, высокая температура прессования может привести к снижению качества пресс-изделий вплоть до появления брака, а с другой, слишком низкая температура ведет к повышению сопротивления деформации так, что прессование становится невозможным из-за превышения усилия прессования над усилием используемого пресса. Поэтому при выборе температурного режима необходимо избежать обоих указанных граничных случаев.

Оптимальные температурно-скоростные режимы определяются в основном опытным путем. В табл. 1 приведены наиболее часто используемые в прессовом производстве цветных металлов температурно-скоростные режимы.

Для количественного решения данной задачи необходимо представить изменения МВСП в виде графической зависимости от температуры нагрева заготовки (рис. 4). Тогда на данной диаграмме будет два семейства граничных кривых: левое – предел по усилию пресса, а правое – предел существования прессуемого металла, выше которого происходит разрушение пресс-изделия (гипотеза «предельной» температуры). Очевидно, что оптимальная температура нагрева заготовки, обеспечивающая МВСП будет находиться на пересечении данных кривых. Необходимо отметить, что рабочий диапазон расширяется с увеличением усилия используемого пресса и отводом избыточного деформационного тепла во время прессования.

Рис. 4. Температурно-скоростные области прессования

Для построения предельной диаграммы в случае прессования конкретного пресс-изделия необходимы следующие математические зависимости:

1. сопротивления деформации прессуемого металла с учетом конкретного химического состава металла (уравнение реологии)

;

2. усилия прессования;

3. выходной температуры пресс-изделия;

4. значения «критической» температуры разрушения данного пресс-изделия на выходе из канала матрицы.

Предельная кривая по усилию прессования может быть построена, если заданы усилие пресса Р₀, технологические параметры процесса прессования и известна зависимость σ _S от скорости прессования и температуры. Для этого выбираем уравнение реологии В.Н. Выдрина:

, (59)

где – степень деформации; – скорость деформации, а K_V – скоростной коэффициент, определяемый из формул для прессования прутков – (4) и для труб – (5):

, (60)

, (61)

где v_пр – скорость прессования; α _М – угол матрицы; D_ОП.ОКР, D_ТР и d_И – диаметр описанной окружности профиля, наружный и внутренний диаметры трубы соответственно; Т – температура прессования; А, B, C, D – реологические константы материала, представленные в работе В.Н. Выдрина.

Выражение (3) можно представить в следующем виде:

(62)

где

. (63)

Для осуществления процесса прессования необходимо превышение усилие пресса Р₀ над усилием прессования Р_ПР:

(64)

где К₀ – коэффициент запаса усилия пресса, равный 1, 1÷ 1, 2.

Для определения усилия прессования Р_ПР воспользуемся формулой И.Л. Перлина, которую можно представить в следующем виде:

(65)

где К_УПР – коэффициент усилия прессования, учитывающий влияние технологических параметров на усилие прессование.

Тогда с учетом выше приведенных выражений получим аналитическую зависимость для кривой, обусловленной усилием прессования:

. (66)

Для нахождения данной зависимости (66) в работах В.Н. Выдрина, И.Л. Перлина или других ученых можно найти необходимые справочные данные.

В работе С.В. Беляева, показано, что предельная кривая, обусловленная разрушением пресс-изделия, с достаточной степенью точности для инженерных расчетов линейно зависит от температуры заготовки. Для ее нахождения достаточно знать две точки, которые находятся из уравнения выходной температуры пресс-изделия. Предельную скорость прессования определяют методом постепенных приближений для конкретных температур нагрева заготовки, приравнивая выходную температуру равной «критической». Значения «критических» температур для каждого сплава имеют вполне конкретное значение (рис. 4) или задаются технологическим регламентом для получения пресс-изделий с заданным качеством. Если отсутствуют справочные данные, то «критическую температуру можно принять равной (0, 85÷ 0, 95) от температуры плавления прессуемого металла Т_ПЛ.

При построении «предельной» кривой по температуре используют уравнение прямой, проходящей через две точки (А (Т_З1, v₁), В(Т_З2, v₂), рис. 4):

(67)

Точка пересечения С данных предельных кривых имеет координаты МВСП и оптимальной для этого температуры нагрева заготовки. Необходимо отметить, что оптимальный режим для достижения МВСП еще не гарантирует получения регламентируемого уровня качества пресс-изделий. Поэтому на практике иногда приходится жертвовать производительностью для достижения требуемого качества.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой процесс прессования называется оптимальным?

2. Какие известны методы расчета температуры прессования?

3. Что влияет на выходную температуру пресс-изделия?

4. Как определяются на практике температурно-скоростные условия прессования?

5. Как находится предельная скорость прессования МВСП? Отчего она зависит?

6. Какая температура прессования называется «критической»?

7. На основании какой гипотезы строится предельная кривая по температурным условиям? Какой вид этой кривой?

8. Какие параметры прессования необходимы для построения граничной кривой по усилию прессования?

9. За счет чего можно расширить рабочий температурно-скоростной диапазон прессования?

10. Какие параметры качества пресс-изделий зависят от температурно-скоростных условий прессования?

Варианты заданий к разделу 4

Определить оптимальные температурно-скоростные условия процесса прессования для типо-размера пресс-изделия и размера заготовки, определенных в разделе 2. Построить предельные кривые. Задачу решить графо-аналитическим методом.