Контейнер экструзионного пресса: напряжения и температура

Экструзия алюминия

Экструзия алюминия – это процесс пластической деформации, в котором материал нагретой алюминиевой заготовки, обычно в виде круглого цилиндра, выдавливается из контейнера через отверстие матрицы. При этом площадь поперечного сечения этого отверстия намного меньше, чем у исходной заготовки (рисунок 1). Под воздействием усилия пресс-штемпеля заготовка взаимодействует с контейнером и матрицей таким образом, что во всем ее объеме возникают высокие сжимающие напряжения, которые подавляют образование трещин в материале литой заготовки при его пластическом течении через матрицу. В свою очередь, в прессовом инструменте – пресс-шайбе, контейнере и матрице – также возникают очень высокие напряжения [1].

Рисунок 1 – Принцип экструзии (прямое истечение) [1]

Контейнер экструзионного пресса

Контейнер является самой дорогой частью прессового инструмента экструзионного пресса (рисунок 2). Компоненты контейнера – корпус и внутренняя втулка, а часто, промежуточная средняя втулка – изготавливают из специальной  теплостойкой инструментальной стали. Срок службы компонентов контейнера оказывает большое влияние на экономические характеристики пресса в целом. Корпус контейнера и его внутренняя втулка, а также, часто, еще одна, средняя, втулка (рисунок 3) должны иметь конструкцию и материалы, которые обеспечивают им длительный срок службы при высокой температуре и высоких циклических нагрузках при каждом цикле прессования.

Рисунок 2 – Контейнер экструзионного пресса компании Tecalex [2]

Рисунок 3 – Основные компоненты контейнера
современного экструзионного пресса (Tecalex) [2]

Напряжения в компонентах контейнера

Напряжения в компонентах контейнера имеют две составляющие:

  • напряжения от горячей посадки втулки при сборке контейнера и
  • напряжения, которые возникают в цикле прессования.

Пресс-штемпель экструзионного пресса и матрица подвергаются осевой нагрузке. Втулка контейнера несет осевую нагрузку из-за трения между заготовкой и контейнером. Кроме того, втулка (и, следовательно, контейнер в целом) испытывают термические напряжения, которые возникают при ее запрессовке и экструзии. Осевое усилие прессования вызывает очень высокие тангенциальные и радиальные напряжения во всей конструкции контейнера [3].

При оценке напряжений в компонентах контейнера обычно применяют метод упругого расчета напряженного состояния толстого цилиндра при его нагружении внутренним давлением. Предполагается осевая симметрия напряжений в контейнере, а также осевая симметрия распределения температуры вдоль всей его длины. Локальными термическими напряжениями, а также продольными напряжениями от сборки контейнера и трения между заготовкой и контейнером пренебрегают. Предполагается, что все материалы имеют одинаковый модуль упругости и все напряжения являются упругими.

Больше втулок – меньше напряжения

На рисунках 4 и 5 показаны расчетные напряжения в контейнере для двух типов контейнеров:

  • с одной внутренней втулкой (рисунок 4) и
  • со средней втулкой и внутренней втулкой (рисунок 5).

Оба контейнера имеют одинаковые внутренние и наружные диаметры, а также одинаковую нагрузку внутри контейнера – 63 кг/мм2.

Рисунок 4 – Контейнер с одной внутренней втулкой.
Максимальное эквивалентное напряжение по Мизесу – 100 кг/мм2 [2]

 Рисунок  5 – Контейнер с внутренней и средней втулками.
Максимальное эквивалентное напряжение по Мизесу – 77 МПа [2]

Эти расчеты показывают, что применение двух втулок вместо одной дает существенное снижение напряжений на внутренней втулке контейнере. При этом напряжение на наружной стороне контейнера незначительно возрастает [3].

Контроль температуры контейнера

Чтобы минимизировать термические напряжения и предотвратить ослабление внутренней втулки контейнер и внутреннюю втулку нагревают до рабочей температуры в течение около 8 часов или даже больше с ограничением роста температуры до 50-60 ºС в час. В ходе прессования температура контейнера и внутренней втулки редко поднимается выше 450 ºС. Если элементы контейнера перегреваются, то происходит отпуск термически упрочненной стали, из которой они изготовлены, и снижение ее прочностных свойств, в том числе, твердости.

Резкий нагрев или охлаждение корпуса или втулки приведет к чрезмерным термическим напряжениям. Это может послужить причиной возникновения трещин в этих компонентах контейнера или сдвигу втулки. Чтобы минимизировать термические напряжения, необходимо контролировать температуру. Для этого минимизируют градиент (перепад) температуры в элементах контейнера.

При рассмотрении градиентов температуры в контейнере необходимо учитывать как радиальное, так и осевое распределение температуры.

Радиальное распределение температуры

Радиальное распределение имеет значительно более крутой градиент и поэтому его труднее контролировать. В процессе прессования внутреннее отверстие втулки неизбежно является самой горячей частью контейнера с температурой, которая приближается к температуре заготовки. Распределение температуры в рабочем контейнере имеет вид, который показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Радиальное распределение температуры в контейнере [3]

Внутри контейнера основным видом передачи тепла является теплопроводность. Температура наружной поверхности корпуса контейнера задает потери тепла за счет излучения. Температура внутренней поверхности втулки зависит от температуры заготовки и энергии, которая превращается в тепло в процессе прессования.

При нормальных условиях корпус контейнера обычно не бывает горячее втулки. Это может происходить, когда контрольная термопара расположена слишком далеко от нагревателей и втулка остывает. В этом случае полное давление главного плунжера может привести к разрушению втулки.

Осевое распределение температуры

Контроль за относительно небольшим осевым градиентом температуры в контейнере также является очень важным. График температуры по оси втулки имеет вид, показанный на рисунке 7.

Рисунок 7 – Осевое распределение температуры во втулке контейнера [3]

Потеря тепла от торцов контейнера приводит к тому, что в центре контейнер горячее, чем на концах. Кроме того, конец контейнера возле матрицы является более горячим, чем вход в контейнер, так как заготовка находится возле матрицы намного дольше, чем на входе в контейнер.

Система нагрева контейнера

Зачем нагревать контейнер

Регулирование температуры внутри контейнера является важным по нескольким причинам. Это не только снижает напряжения в контейнере и, тем самым, увеличивает его срок службы, но и также дает возможность повышать производительность и качество прессованной продукции.

Система нагрева контейнера выполняет две важные функции:

  • предварительный нагрев контейнера
  • поддержание температуры контейнера в ходе экструзии.

Однако, поскольку процесс прессования является источником большого количества тепла, то не требуется большого дополнительного нагрева для контейнера, а часто его не требуется вообще. В некоторых случаях для достижения оптимальных условий требуется только небольшой нагрев и/или охлаждение.

Однородная температура по оси контейнера

Поддержание постоянного распределения температуры в осевом направлении контейнера обычно требует только незначительных количеств энергии в отдельных участках внутри контейнера. Например, чтобы поддерживать однородное осевое распределение температуры, добавляют дополнительный нагрев на конце контейнера, который примыкает к матрице и на входе в контейнер. Поскольку различные концы контейнера имеют различную температуру, то система нагрева контейнера должна различать их и компенсировать это различие.

Отдельный нагрев верха и низа контейнера

Кроме того, может быть необходимым разделять нагрев между верхом и дном контейнера. Верхняя половина контейнера обычно всегда горячее, чем нижняя. Основным механизмом передачи тепла в этом случае является теплопроводность. Тем не менее, вследствие конвекции отбор тепла от нижней части контейнера может быть более высокими, от верхней его части. Поэтому система нагрева контейнера должна иметь возможность нагревать нижнюю часть контейнера независимо от верхней его части.

Подогрев контейнера перед работой пресса

Подогрев контейнера перед началом работы пресса, а также поддержание его температуры при остановке пресса может быть довольно сложным делом. Контейнер нужно подогревать, чтобы минимизировать термический удар, который возникает в начале прессования. Кроме того, контейнер нужно подогревать достаточно быстро и эффективно.

Многие старые контейнеры имели наружные нагреватели, которые подавали тепло с наружной стороны корпуса контейнера. Такой нагрев формирует распределение температуры, которое имеет вид, обратный тому, который возникает в ходе прессования: наружная поверхность контейнера является самой горячей, а внутренняя поверхность втулки – самой холодной. Такой тип нагрева и такой градиент температуры в корпусе контейнера и втулке является неприемлемым для прессования. Решением этой проблемы является размещение нагревателей ближе к центру контейнера, чтобы нагревать непосредственно втулку.

Картриджные нагревательные элементы

Картриджные нагревательные элементы дают возможность подавать тепло в заданное место внутри контейнера (рисунок 8). Они располагаются близко к втулке, что позволяет сократить время, которое требуется теплу для прогрева втулки до заданной температуры.


Рисунок 8 — Картриджные нагревательные элементы контейнера [2]

Источники:

  1. Aluminum extrusion technology / Pradip K. Saha – ASM International, 2000
  2. Контейнеры экструзионных прессов TECALEX, Tecalex, 2017
  3. Thermal Control of the Extrusion Press Container / D. Van Dine, N. Gilada, P. Robbins, V.I. Johannes, S. Takagi, Aluminum Extrusion Technology Seminar, Chicago, 2004