Совершенствование конструкции опытно-промышленной установки СЛиПП-2,5 Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 7 (2012 5) 817-828

УДК 621.762.4.04

Совершенствование конструкции опытно-промышленной установки СЛИПП-2,5

Н.Н. Довженко3, С.Б. Сидельников*а, С.В. Беляева, С.В. Солдатов6, В.М. Беспалов3, В.В. Леонов3

а Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

б ОК «РУСАЛ ИТЦ» Россия 660111, Красноярск, ул. Пограничников, 37/11

Received 07.12.2012, received in revised form 14.12.2012, accepted 21.12.2012

В статье обосновано применение компенсирующего устройства для совершенствования конструкции опытно-промышленной установки СЛИПП-2,5 и представлена методика расчета силового нагружения прижимного устройства матрицы к валкам при изготовлении прутка из алюминиевого сплава с цирконием.

Ключевые слова: совмещенная прокатка-прессование, прижимное устройство матрицы к валкам, методика расчета усилий прижима.

Введение

Одним из перспективных направлений изготовления длинномерных полуфабрикатов в виде катанки, прутков или проволоки с относительно небольшим поперечным сечением из алюминиевых сплавов является применение метода совмещенного литья, прокатки и прессования (СЛИПП) [1, 2], для реализации которого учеными СФУ совместно со специалистами ООО «РУСАЛ ИТЦ» спроектирована и изготовлена модельная установка СЛИПП-2,5. Общий вид установки показан на рис. 1.

Опытный образец установки был изготовлен в 2011-2012 годах при выполнении научно-исследовательских работ при реализации государственной программы поддержки развития кооперации и использования субсидий ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и ООО «РУСАЛ ИТЦ», совместно участвующих в рамках договора № 13.G25.31.0083 с Министерством образования и науки России в выполнении комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства по теме «Разработка технологии получения алюминиевых сплавов с редкоземельными, переходными металлами и высокоэффективного оборудования для производства электротехнической катанки».

* Corresponding author E-mail address: [email protected]

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

Рис. 1. Опытно-промышленная установкаСЛИПП-2,5

Конструкция установки СЛИПП-2,5

Установка СЛИПП-2,5 является физической моделью опытно -промышленной установки для изготовления электротехнической катанки из новых алюминиевых сплавов и входит в состав линии совмещенной обработки (ЛСО). Компоновка линии была разработана применительно к площадке лаборатории кафедры ОМД ИЦМиМ СФУ Общий вид линии и основные ее узлы предс тавлены на рис. 2.

Технические характеристики установки (СЛИПП-2,5 предстаалены в маб л. 1.

Основными технологическими агрегатами ЛСО являются:

- индукционная тигельная печь для приготовления сплава и непрерывной разливки металла;

- литейная установка, предназначенная для дозированной подачи расплава в валки установки совмещенной обработки или получения непрерывно литой заготовки трапециевидного сечения;

- правильно-задающее устройство для правки литой заготовки с последующей задачей ее в валки деформирующего узла;

- установка совмещенной обработки, которая предназначена для получения из расплава или непрерывно литой заготовки в горячем состоянии пресс-изделия круглой конфигурации меньшего сечения;

- прижимное устройство с гидростанцией для обеспечения прижима инструментального матричного комплекта к валкам установки совмещенной обработки;

- узел охлаждения для охлаждения пресс-изделия до заданной температуры с последующей калибровкой и формированием бунта катанки;

- калибровочная машина, предназначенная для холодной деформации пресс-изделий и получения катанки требуемого диаметра с заданным уровнем механических свойств;

Рис. 2. Лини я совмещенной обработки: 1 - установка СЛИПП с прижимным устройством; 2 - узел охлаждения; 3 - формирователь бунта; 4 - плавильная тигельная печь; 5 - система литья; 6 - блок конденсаторов; 7 - пр еобразователь; 8 - гидропривод наклона печи; 9 - гидропривод установки СЛИПП; 10 - блок с танции охлаждения; 11 - градирня; 02 - шкаф управления; 13 - пульт у правления печью; 14 -пульт управления линией, 15 - рабочая площадка; 16 - таль; 17 - кран; 18 - калибровочная машина

Таблица 1. Технические характеристики установки СЛИПП-2,5

Параметры Значения

Начальный диаметр валка, мм 400

Длина бочки валка, мм 350

Количество оборотов валка: - минимальное - максимальное 1 15

Передаточное число редуктора 40

Мощаость электродвигателя , кВт 45

Рабочее давление гидростанции, МПа 200

Производительность, т/час 2,5

Габариты,мм 3400x2350x0227

Рис. 3. Один из вариантов выполнения прижимного устройства

- ножницы для обрезки литой заготовки, пресс-изделия или катанки;

- формирователь бунта катанки или моталка со съемным барабаном, предназначенная для смотки отпрессованного изделия в бухту.

Одним из ответственных узлов установки СЛИПП является прижимное устройство, вариант выполнения которого представлен на рис. 3.

Инструменвальный тзвт прижимно го уструйства состоит из следующих деталей:

- собственно маярицт;

- матрицедержатель;

- инструментальная доска с крышкой, соединенная с гидравлическим прижимом;

- направляющая для крепления и передвижения матрицы по оси прессования, предназначенная для отвода и смены инстру мента;

- 8230 -

Матрица фиксируется по вертикали в матрицедержателе и изготавливается из высоколегированной инструментальной стали или карбидов вольфрама, твердых сплавов ВК6, ВК8. Мат-рицедержатель снабжен буртом, опускается в инструментальную доску сверху и фиксируется крышкой. Инструментальная доска соединена с гидроцилиндром подпора с зазором для поджима в матрицедержатель и передвигается в направляющей, которая закреплена на станине.

Для модельной установки прижимное устройство было выполнено отдельно (рис. 1) и при консольном расположении валков закуплено на станине установки СЛИПП-2, 5.

Методика расчета усилий прижимного устройства матрицы к валкам

Неподвижная матрица находится в постоянном контакте с подвижными валками, образующими закрытый ящичный калибр прямоугольного сечения. Поэтому при реализации процесса СЛИПП особенно важно облспечить конструктивно и технологически рециональный зазор на контакте рабнчих валков и матрицы. С одной стороны, при минимальном заеоре интенсивно возрастает сила трения и увеличивается абразивный износ рабочего инструмента, а с другой - при увеличении зазора возможно появление заусенца с повышенной толщиной из деформируемого металла, что нарушает стабильность протекания непрерывного процесса об-рабстки, ухудшает качество пресс-изделия и снижает выход годного [3]. Понтому прижимное устройство матрлцы к валкам должно обеспечивать в раб очем посожении регламентируемую толщину заусенцс из деформируемого металла на валках, т.е . усилие прижома должно удер -живать матрицу в заданном положении и обеспечивать равномерное нагружение на рабочие валки (рис. 4).

Матрица в заданном положении (точкаЛ/ на рис. с) удерживается с помнщью рычага АВСМ прижимного устсойства. Рычсг АВСМ состоит из жесско закрепленных в точке С двух стерж-нейЛТН иАВС, расположенных под прямым углом. Стержень АВС закреплен с нумощью неподвижного шарнира в точке А. Усилие Рд от гидроцилиндра ВД приложено в точке В и направлено

Рис. 4. Структурная схема к расчету усилия прижима

под углом в к нормали части рычага АС, поэтому больше действует (давит) на нижний валок с центром в точке О2, что прнводит в итоге и образованию заусенца большей толщины на поверхности верхнего валка с центром в точке Оь разворачивает о сь прессования через матрицу относительнооси пронатки чере з воики, что дестабилизируеа процесс СЛИПП, нрооодя к его остановке. Одним из способов решения данной проблемы является создание компенсирующего усилия РК, которое необходимо приложить к рычагу АВСМ прижимного устройства в точке С с помощью гидроцилиндра, действующего вдоль прямой СК, который расположен по нормали к опорной поверхности и опирается на подвижный шарнир в точке К. При этом соотношение усилий Рд и Ра от гидроцилиндрое должно быть таким, чтобы уси лие прижима от рычага АВСМ прижимного устройства удерживало бы матрицу в заданном положении и обеспечивало бы совпадение осей0 прессоввния и прокатки.

Для нахождения соотношаоия усилий3 Рд и Ра от годроцилиндров в зависимости от зз-вестного усилия прижима матрицы Рм = РПР и реакции опоры неподвижного шарнира в точке А рассмотрим рауновосие рычага АВСМ прижимного устройства. Все силы находятся о одной плоскости, поэтому можно составить только три уравнения равновесия для данной системы сил, а число неизвестных величин - Рд , РК, RAX и RA7 равно чотырем, т.е. задача ясхяется статически неопределимой . Поэтомд примем условие, что проекция активных сил, действующих на нормаль к оси прокатки (ось х)т должно равняться нулю:

РК cos a - РД sin в = 0 ; или РК = Р Д sin /вДссн ас . (1)

Теперь задана стала статически определимой. Давее поставляем у равнения равновесия для рычага АВСМ прижимного устройства и определяем ноизвестные величины:

n

£ mA (F) = РПР • 11 - PK • l1 sin а- РД ■ l2 cos в = 0;

i=i

£ F.=-Rax + Pk cos a - Рд sin в = 0; (2)

i=1 n

£ Fy = RAY - РПР + PK sin a + РД cos в = 0;

l i=i

где l1 = AC и l2 = AB; IJk = 0.74.

Откуда

Р =_Рпр cosa_, (3)

Д sinasin в + cosacos в'

PK =--; (4)

sin a sin в + ¡г1 /j cos a cos в

RAX = 0; RAY = РПР - РД-(-в) . (5)

cosa

Следует отметить, что рассмотренный случай в данной конструкции прижимного устройства возможен только в одном определенном положении матрицы относительно валков. При другом расположении матрицы (дальше или ближе точки М) оси прессования прокатки не совпадают. Проанализируем данные случаи.

Рис. 5. Стру кту рная схема опытно-промышленной установки СЛИПП при несовпадении осей прессования через матриц}' и сортовой прокатки черезвалки (первый вариант расположения матрицы)

А

валки (первый вариант расположения матрицы)

Пусть матрица (первый вариант) располагается ближе к точке С рычага АВСМ (в точке М2) от рассмотренного положения матрицы в тачке М1 (рис. 5).

Тогда рычаг прижимного устройства займет положение АВ2С2М2 и отклонится на угол у от исходного положен ия рычага А В1С1М1. О си прессования через матрицу и сортовой прокатки через валки также будут расположены под этим углом у Подвижный шарнир из точки К1 переместится в точку К2, а положения точек А и Б останутся неизменными.

Условия задачи остаются прежними, но для ее решения необходимо вначале установить, как изменится угол /ч. Для этого рассмотрим схему, приведенную на рис. 6.

Учитывая, что углы в и в2 образованы соответствующей хордой и касательной, можно получить следующие геометрические соотношения:

/!ßl = 1 и ед = 2 и (BjB2 + B2 E2 + E2E1); Z.ß2 = 2иB2E2; ZS = 2иE2Ep Z7 = 2uBlB2; Zp = 1 u (BiB2 -E2E,).

(6)

Следует обратить внимание на то, что в данных равенствах фигурирует не длина дуг, а их угловая мера, совпадающая с величиной соответствующего центрального угла. Поэтому выражения (6) можно предотавить в следующем виде:

ß = 1 (y+2ß + ) = ß2 + L2~ = ß2 + r-g>;

Y — S

q> =-; S = Y — 2ф; y/ = ß2 +Y-

(7)

Далее составляемуравнения равновесия для рычагыАВ2СМ2 пртжимного устройства, принимая во внимание условие, что проекция активных сил, действующих на нормаль к оси прокатки (ось жН должна равняться нувю, п их проекция на ось прокатки соответствовать заданному усилию прижим а матрицыРм = Р^ соб 7:

Рпр sin y + Pr cos a - РД sin ц = 0;

n

Z ^ ) = РПР • ll-PK- ll Sin(a - Г) - РД ■ l2 C0s в2 =0;

1=1 n

< Z Рщ = -RaX + PK cos(a -Y)~ РД sin в = 0;

i=1 n

Z mC2 (Fi)=RAYK1+РД • l2 c0s в = °.

. i=1

Отсюда найдем, что

_ Рд sin y/-Plw sin y

"к _ ;

cosa

p _ Pjjp [cos a + sin^ sin(a-^)]

рд _

(9)

sin i/nsin(a - y) + /2 /l cos acos ß2' = P с^сэгзСо^ -Г)~Рдsin ß2; ^г = • т2 Acos ß •

(10)

(11) (12)

Рассмотрим следующий случай (второй вариант насположения матрицы), когоа матрица располагается дальше от точки С рычага АВСМ (в точке М2) от рассмотренного положения матрицы в точке М1 (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема опытю-промышленной установки С ЛИПП при несовпадении осей прессования через матрицу и сортовой прокатки через в алки (второй вариант расположения матрицы!)

А

валки (второй вариант расположения матрицы)

Условия задачи остаются прежними и, так же как и в предыдущем случае, для ее решения вначале установим , как изменится угол /?2. Для этого расс мотрим схему, приведенную на рис. 8.

Из геометрических соотношений получим

¿01=2uB1E1; zr = 2^B2B1; ZS =2uE1E2; zp2= 1 и B2 E2 = = 1 u (B2 B1 + B1E1 + EE); Aq> = -2 u (B2Bi - EE).

или в угловых мерах

рг =2(7+2Д+8) = А = e + Y- q;

Y — S

q=-; 8 = у — 2q; y/ = P2 — y.

(13)

(14)

Составляем уравнения равновесия для рычага АВСЦАР прижимного устройства, принимая во внимание условие, что проекция акоивных свил, действующих на нормаль к оси прокатки (ось хр, должна равняться ну лю, а их проеоция на ось пр окатки со ответствовать заданном}' уаслсю прсжсмо матрицы Р м = РПР cos у:

-Pup siny + PK cosa-PAsin^ = 0;

n

J^mAFi) = P ■ h -P ■ h sin(a + Y) -Рд ■ h cosрг = 0;

1=1 n

<IX2 = Rax + P COs(a + Y)-p sin в = 0;

/=1 n

ТтсЛFd = RAr ■ h + Рд-h^e = О. ¿=i

Отсюда найдем,что

_РД $тч/ + РПР$ту;

"К ~ ;

cos а

РПР [cos а - sin у sin(a + у)]

Рд =

sin |sin(a + у) + l2 Д cos ос cos р22' Rx = - pk cos(a +у)+Рд sin А; rm = -Рд ■ hlhcos A •

(15)

(16)

(17)

(18) (19)

Нетрудно убедиться, что при у = 0 полученные выражения (10)-(12) и (17)-(19) принимают один и тот же вид, что подтвнрждает правильность решения по ставленной задачи.

При анализе силовых условий процесса СЛИПП по расчетным зависимостям в качестве исходных условий были приняты следующие конс труктивн ые и технологические параметры,

Таблица 2. Силовые условия процесса СЛИПП из сплава алюминия с цирконием

№ варианта Расчетные параметры силовых условий СЛИПП

РПРЕСС РПР Рд Рк Ял а в У

кН кН кН кН кН град град град

без Рк 235 327 471 0 198 42 20 0

1 235 327 326 150 80 42 20 0

2 235 328 340 141 239 42 18 3

3 235 328 313 160 215 42 22 3

соответствующие конструктивным и технологическим параметрам опытно-промышленной испытаний установки СЛИПП-2,5:

- радиусы валков: по выступу Я1 = 236 мм; по дну ручья Я2 = 192 мм; по реборде

Я3 = 230 мм;

- высота: входа металла в валки (заготовки) И0 = 40 мм; калибра в наименьшем сечении И1 = 20 мм; матрицы в месте перекрытия валков кы = 34 мм;

- углы наклона гидроцилиндров СК и ВД соответственно - а = 420 и в = 200;

- диаметр пресс-изделия из сплава алюминия с цирконием йПР = 9,5 ± 0,5 мм.

Результаты расчетов представлены в табл. 2.

Выводы

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Применение компенсирующего усилия, приложенного к рычагу прижимного устройства матрицы к валкам для созданной конструкции опытно-промышленной установки СЛИПП-2,5 с помощью вертикального гидроцилиндра, позволяет исключить неравномерное силовое воздействие на рабочие валки во время ее работы и гарантирует регламентируемую толщину заусенца из деформируемого металла на валках.

2. Создание компенсирующего усилия в 1,38-1,50 раза снижает усилие прижима в наклонном гидроцилиндре прижимного устройства матрицы к валкам и почти в два раза реакцию опоры в шарнире рычага прижимного устройства, что существенно повышает конструктивную надежность установки.

3. Необходимое компенсирующее усилие примерно в 2,2 раза меньше усилия в наклонном гидроцилиндре прижимного устройства.

4. Несовпадение осей прокатки и прессования в установке СЛИПП-2,5 приводит к увеличению в 2,7-3,0 раза реакции опоры рычага прижимного устройства.

Таким образом, использование дополнительного компенсирующего устройства в созданной конструкции опытно-промышленной установки СЛИПП-2,5 способствует улучшению ее эксплуатационных характеристик.

Список литературы

[1] Довженко Н.Н. Беляев С.В., Сидельников С.Б. и др. Прессование алюминиевых сплавов: моделирование и управление тепловыми условиями: монография. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2009. 256 с.

[2] Sidelnikov S.B. Baranov V.N., LopatтаE.S. etc. Study of effect of nickel and rare-earth metals on the structure and properties of cast and deformed semi-finished products made of aluminum alloys // Journal of Siberian Federal University. 2012. № 1. p. 19-27.

[3] Беляев, С.В., Сидельников С.Б., Довженко Н.Н. и др. Выбор оптимальных зазоров в калибре при совмещенной прокатке и прессовании // Журнал Сиб. федер. ун-та // Техника и технология. 2010. Т. 3 № 4. С. 411-421.

Improvement of Construction

of the Pilot Industrial Plant SLIPP-2,5

Nikolay N. Dovzenkoa, Sergey B. Sidelnikov", Sergey V. Belyaev", Sergey V. Soldatovb, Vadim M. Bespalov" and Victor V. Leonov"

a Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia ь LLC «RUSAL ETC», 37/1 Pogranichnicov, Krasnoyarsk, 660111 Russia

The application ofcompensating device for the improvement ofconstruction ofthe pilot industrial plant SLIPP-2,5 presents in this article. The design procedure of the power-producing hold-down device of die to the rollers on the making of the stick from aluminum alloy with zirconium is presented.

Keywords: process of combine rolling-and extrusion, hold-down device of die to the rollers specific pressure, the design procedure of the power-producing hold-down.