CZ309952B6 - Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů a jejich slitin extrémní plastickou deformací a způsob zušlechťování - Google Patents

Abstract

Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů a jejich slitin extrémní plastickou deformací se týká oblasti zpracování kovových materiálů pomocí extrémní plastické deformace, za účelem zvýšení kvality jejich pevnostních vlastností, jako jsou například mez kluzu a mez pevnosti. Tvářecí zařízení sestává ze tří základních částí, a to z tvářecí části zařízení, pohonu a části pro řízení a monitoring. Tvářecí část zahrnuje dva válce (1, 2) a zónu (7) deformace, která sestává z horního a dolního tvářecího nástroje (4, 5) deformačního válce (3) umístěného za tvářecím nástrojem. Působením smykových napětí v zóně (7) deformace dochází k vysokému stupni deformace materiálu. Řešením je i způsob zušlechťování kovů a jejich slitin extrémní plastickou deformací na uvedeném tvářecím zařízení.

Description

Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů a jejich slitin extrémní plastickou deformací a způsob zušlechťování

Oblast techniky

Řešení se týká oblasti zpracování kovových materiálů s vícenásobnou plastickou deformací, za účelem zvýšení kvality jejich vlastností. Je navrženo nové uspořádání nástrojů v zařízení pro zpracování kovových pásů kontinuální, extrémní plastickou deformací.

Dosavadní stav techniky

V současné době je užívána pro kontinuální zpracování kovových materiálů, za účelem zvýšení jejich jakosti vícenásobnou plastickou deformací, Conform (Kontinuální tváření), Dissimilar Channel Angular Pressing (DCAP - Tváření nerovnostranným kanálem) a ECAR (Protlačování do drážky). Uvedené technologie se převážně využívají ke zpracování kovových tyčí, profilů a trubek. Cílem výše uvedených technologií je zjemnění zrna zpracovávaných kovových materiálů, čímž lze dosáhnout především zvýšení pevnostních vlastností.

Tvářecí zařízení typu Conform má hlavní nevýhodu v tom, že ho nelze využít pro zvýšení jakosti při zpracování kovových pásů. Princip procesu Conform je založen na působení dvou rotujících válců, které vtlačují přiváděný materiál třecí sílou do zóny deformace. Použití je tak vhodné pro výrobky, jako jsou dráty, profily a tyče. Během výrobního procesu dochází k teplotnímu nárůstu ve tvářeném materiálu, jehož výše ale neovlivňuje strukturu oceli ani slitin neželezných kovů. Zařízení využívající metodu Conform neumožňují protlačovaní pásů o různých tloušťkách.

Další užívanou metodou je metoda DCAP, která je založena na kontinuálním přivádění kovových materiálů pomocí podávacího válce do místa deformace a je charakteristická konstantní tvářecí mezerou mezi válci. Vlastní smyková deformace probíhá v zóně deformace, tj. v kanálu matrice.

Mezera mezi válci je mírně větší než mezera v zóně deformace. Uhel protínajících se kanálů v matrici je u metody DCAP proveden pod úhlem od 120° do 130°. Tvářecí rychlost je v rozmezí od 5 do 50 mm/s. U dané metody, obdobně jako u předešlé metody, není možná regulace tloušťky zpracovávaných pásů, a rovněž není možno obdržet v zóně deformace optimální úhel (108°) nutný pro dosažení podstatného zvýšení mechanických vlastností zpracovávaných pásů.

Další metodou je metoda zpracování kovových materiálů ECAR založená na využití smykové deformace, která je rovněž aplikována s cílem dosažení zjemnění zma ve vstupním kovovém materiálu. Metoda ECAR se vyznačuje jedním rotujícím válcem s relativně drsným povrchem ve stacionární matrici.

Na rozdíl od metody Conform, ve které je obvodová drážka konstantní, se v metodě ECAR obvodová drážka postupně zužuje. Zmenšení tloušťky obvodové drážky umožňuje vyvinutí potřebné tažné síly, která pomáhá překonat deformační odpor v úhlové oblasti kanálu. Opět zde dochází k redukci tloušťky zpracovávaného polotovaru a úhel v zóně deformace dosahuje hodnot kolem 135°, nedochází však k výraznému zvýšení mechanických vlastností.

Z výše uvedeného je možné konstatovat, že při jednom průchodu kovového pásu lze v kovových materiálech získat skutečnou plastickou deformaci v rozsahu ε = 0,3 až 0,5. Získaná plastická deformace vede ke zjemnění zma a tím ke zvýšení především pevnostních vlastností zpracovávaných kovových materiálů. Konstrukce pracovního nástroje (matrice se vstupním a výstupním kanálem) pro získání požadované smykové deformace způsobuje některé problémy zmíněné níže. Matrice obsahuje vždy alespoň jeden protlačovací kanál, jenž je rozdělen na vstupní a výstupní část, kde tyto části svírají vůči sobě určitý úhel a tím i získanou velikost

- 1 CZ 309952 B6 deformace. Protlačovací kanál dosavadních matric má v celém svém průběhu, tedy v jeho vstupní části i jeho výstupní části, stejný průřez, obvodový tvar i rozměr. Složení jednotlivých matric z dílů umožňuje pouze jejich demontáž a odstranění zbytků zpracovávaných kovových materiálů po ukončení každé série procesu zpracování.

Výše uvedené řešení matric u popisovaných zařízení (Conform, ECAR, DCAP) má řadu nevýhod. Vsazování matrice do základního přístroje je náročné na přesnost i související manipulace. Následkem nepřesného vsazení, netěsností a vnitřního uspořádání stávajících matric často dochází k tomu, že materiály s nízkou tváříteIností se porušují, dochází k jejich rozdrobení, vzniku trhlin apod. Přes matrici nelze protlačovat materiály s vysokým deformačním odporem. Po použití pak bývá matrici obtížné rozebrat, značný problém činí matrici uvolnit a oddělit od základní konstrukce zařízení. Pro uvolnění matrice od základního tělesa je běžně nutno materiál před vytažením z matrice ustřihnout. Pokud má materiál vysokou pevnost, může být příslušná část matrice porušena. Další nevýhodou konstrukce stávajících matric u výše uvedených technologií je, že nemají možnost přesného nastavení vzájemné polohy dvou dílů matrice po jejich přiložení sobě a zafixování v nastavené poloze, což má za následek nepřesné uložení protlačovacích kanálů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje níže popsané řešení, které je progresivní. Jedná se o dosažení vysokého stupně deformace technologií protlačování pásu při zachování konstantní velikosti příčného průřezu. U tohoto konstrukčního řešení je pás v první fázi procesu zatížen spodním tlačným válcem a horním tlačným válcem a následně tlačen do vlastního tvářecího nástroje, který je složen z horní a spodní části. Působením smykových napětí v zóně deformace dochází k vysokému stupni deformace materiálu, což vede ke zjemnění zrna, jehož důsledkem je podstatné zvýšení mechanických vlastností. Při vlastním tvářecím procesu nedochází ke změně příčného průřezu pásu (tzn. ani šířky, ani tloušťky).

Celé zařízení je umístěno v kovovém rámu s přepážkami. Kovový pás je vtlačován horním tlačným válcem a spodním tlačným válcem pod mezikus. Kovový pás je vtlačen do zóny deformace vymezené horním a spodním tvářecím nástrojem. V zóně deformace dochází k vytvoření ohybového a tlakového namáhání v polotovaru a ve výsledku ke zvýšení deformace materiálu (proces zpevnění).

Zařízení se skládá celkem ze tří válců - horního tlačného válce a spodního tlačného válce a deformačního válce. Oba tlačné válce jsou osazeny v ložiskových domcích. Spodní tlačný válec je pevný a horní tlačný válec je pohyblivý, jelikož je usazen v kluzném vedení. Přítlak horního tlačného válce je zajištěn dvěma hydraulickými motory s převodovkami a spojkami, které jsou umístěny po jeho stranách. Sílu přítlaku je možné regulovat. Třetí z válců - deformační válec je umístěn v zóně deformace pod úhlem 72°. Deformační válec je uložen v kluzném vedení - je tedy pohyblivý. Přítlak deformačního válce je zajištěn dvěma hydromotory s převodovkami a spojkami umístěnými po jeho stranách. Sílu přítlaku deformačního válce je možné regulovat.

Na vstupu do zařízení se nachází stůl s bočními pravítky, pro vycentrování různých šířek kovového pásu na střed. Po nasunutí kovového pásu za druhé čidlo přítomnosti kovového pásu jsou uvedeny do pohybu oba tlačné válce - horní tlačný válec i spodní tlačný válec. Po najetí konce pásu na první čidlo jsou odtlakovány hydraulické motory regulující přítlak horního tlačného válce. Deformační válec je odsunut na maximální vzdálenost od deformační zóny. Následuje vypnutí pohonů horního tlačného válce a deformačního válce.

Zařízení je rovněž osazeno koncovými spínači, signalizujícími polohu všech válců. Zařízení je řízené částí pro řízení a monitoring, která zahrnuje: řídicí jednotku s displejem a průmyslovou kameru umístěnou v zóně deformace. V horním tvářecím nástroji je otvor pro připojení chladicí

-2CZ 309952 B6 kapaliny. Tvářecím nástrojem lze dosáhnout z původní střední velikosti zrna od 100 až 150 mikrometrů zmo o velikosti 10 až 40 mikrometrů. Zjemněním zrna na deklarovanou hodnotu 10 až 40 mikrometrů je zvýšena původní pevnostní vlastnosti zpracovávaného materiálu: mez kluzu až o 70 % a mez pevnosti až o 20 %.

Detailní zobrazení zóny deformace s místem A styku deformačního válce s kovovým pásem je uvedeno na obr. 2., kde je vyznačení úhlu zóny deformace a. Pn zpracování kovových materiálů s vyšší tvářitelností se používá menší úhel a. Pro materiály s nižší tvářitelností se používá větší úhel a. Poloměr zaoblení Ri v místě styku vstupního a výstupního kanálu se pohybuje v rozmezí 0,5 až 2,2 mm.

Uvedená technologie a konstrukce tvářecího zařízení umožňuje získat výrazně vyšších mechanických vlastností zpracovávaných pásů bez nutnosti použít legování kovových materiálů se záměrem dosáhnout jejich vyšších vlastností.

Výhodou výše uvedeného zařízení i postupuje, že u kovových materiálů a jejich slitin dochází ke zvýšení meze kluzu až o 70 % a meze pevnosti o až 20 %. Další výhodou tohoto zařízení je, že umožňuje zpracovávat kovové pásy s cílem zvýšení jejich jakosti v daleko větším rozsahu jejich rozměrů. Jedná se o tvářecí zařízení pro zvyšovaní jakosti kovového pásu o rozměrech - tloušťka od 1,0 mm do 2,5 mm, šířka - od 100 do 250 mm. Rychlost přetvoření max. 200 mm/s. Pevnost zpracovávaného materiálu do Re = 300MPa.

Objasnění výkresů

Obr. 1 představuje schematicky znázorněné zařízení - detail válců.

Obr. 2 představuje detailní zobrazení zóny deformace A styku deformačního válce s kovovým pásem.

Obr. 3 představuje celkové uspořádání nástrojů tvářecího zařízení i s pohony a převodovkami.

Příklad uskutečnění vynálezu

Zařízení je objasněno pomocí výkresů s celkovým vyobrazením tvářecího zařízení uvedeném na obr. 1. Detailní zobrazení deformace je uvedeno na obr. 2, který uvádí základní identifikace jednotlivých dílů, která je shodná s obr. 1 a je doplněna o úhel zóny deformace a = 108°. Uhel a 108° je vhodný při zpracování kovových materiálů, vyznačujících se vyšší tvářitelností. Při zpracování kovových materiálů s nízkou tvářitelností je používán úhel a = 113°. Poloměr zaoblení Ri na styku jednotlivých kanálů se pohybuje v rozmezí Ri = (0,5 až 2,2) mm.

Na vstupu do zařízení se nachází stůl s bočními pravítky, pro vycentrování šířky kovového pásu 6 na střed. Tvářecí část zařízení se skládá celkem ze tří válců - horního tlačného válce 1 a spodního tlačného válce 2 a deformačního válce 3. Oba tlačné válce 1, 2 jsou osazeny v ložiskových domcích. Spodní tlačný válec 2 je pevný a horní tlačný válec 1 je pohyblivý, jelikož je usazen v kluzném vedení. Přítlak horního tlačného válce 1 je zajištěn dvěma hydraulickými motory Ml, které jsou umístěny po jeho stranách. Přičemž pohon je tvořen hydraulickými motory Ml s převodovkami Při a spojkami. Třetí z válců - deformační válec 3 je umístěn v zóně 7 deformace. Deformační válec 3 je uložen v kluzném vedení. Přítlak deformačního válce 3 je zajištěn dvěma hydromotory M2 umístěnými po jeho stranách. Přičemž pohon je tvořen hydraulickými motory M2 s převodovkami Př2 a spojkami.

-3 CZ 309952 B6

Kovový pás je tedy vtlačován horním tlačným válcem 1 a spodním tlačným válcem 2 pod mezikus. Kovový pás je vtlačen do zóny deformace 7 vymezené horním a spodním tvářecím nástrojem 4, 5.

Po nasunutí kovového pásu 6 za druhé čidlo přítomnosti kovového pásu 6 jsou uvedeny do pohybu oba tlačné válce - horní tlačný válec 1 i spodní tlačný válec 2. Kovový pás 6 je tedy prostřednictvím hydromotorů Ml, M2 vtlačován do zóny 7 deformace, kde dochází k ohybu a smyku kovového pásu 6 horním tlačným válcem 1 na hraně spodního tvářecího nástroje 5 do požadovaného úhlu. Ohyb je následně vyrovnáván působením deformačního válce 3. Použitím pohonu, anebo bržděním horního tlačného válce 1 je možné vnášet do tvářeného kovového pásu 6 dodatečné tahové, nebo tlakové napětí ovlivňující parametry deformace. Kontinuálním pohybem kovového pásu 6 dochází k posouvání ohybové a tlakové zóny po délce kovového pásu 6. Ke zpevnění materiálů tak dochází působením tlakového a ohybového namáhání v zóně 7 deformace.

Po najetí konce kovového pásu 6 na první čidlo jsou odtlakovány hydraulické motory Ml regulující přítlak horního tlačného válce L Deformační válec 3 je odsunut na maximální vzdálenost od deformační zóny 7. Následuje vypnutí pohonů horního tlačného válce 1 a deformačního válce 3.

Změnou úhlu zóny 7 deformace, průměru deformačního válce 3 a místem ohybu horního přítlačného válce 1 ke spodnímu tvářecímu nástroji 5 lze dosáhnout různých velikostí deformace v materiálu.

Průmyslová využitelnost

Zařízení je možné využít v oblastech, kde dochází ke zpracování kovových materiálů s vícenásobnou plastickou deformací, za účelem zvýšení kvality jejich vlastností.

Claims (9)

1. Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů a jejich slitin extrémní plastickou deformací, jehož součástí jsou tři válce, vyznačující se tím, že je sestaveno ze tří základních částí, a to z tvářecí části zařízení, pohonu a části pro řízení a monitoring, přičemž první část zařízení, kterou je tvářecí část, zahrnuje:

- nosnou konstrukci s vnitřními přepážkami;

- sadu dvou válců (1,2) umístěných v nosné konstrukci, kdy spodní tlačný válec (2) je pevně uložen v konstrukci a horní tlačný válec (1) je uložen posuvně v konstrukci, přičemž toto uložení je určeno pro zpracování různých tlouštěk materiálů;

- zónu (7) deformace, která sestává ze tří částí - horní tvářecí nástroj (4), spodní tvářecí nástroj (5) a deformační válec (3) umístěný v zóně (7) deformace za tvářecím nástrojem, přičemž v obou tvářecích nástrojích (4, 5) jsou vstupy pro přívod chladicí emulze;

druhá část zařízení, představující pohon, zahrnuje:

- pohon jednotlivých válců (1, 3), kterými jsou planetové úhlové převodovky (Při, Př2), přičemž deformační válec je s/nebo bez pohonu;

- dále dvě spojky - horní a dolní pro přenos kroutícího momentu na válce (1,2), přičemž horní spojka je určena pro vymezení tloušťky kovového pásu (6) a vymezení pohybu válce; a třetí část zařízení, představující část pro řízení a monitoring, přičemž zahrnuje:

- řídicí jednotku s displejem a průmyslovou kameru umístěnou v zóně (7) deformace.

2. Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů podle nároku 1, vyznačující se tím, že horní tlačný válec (1) a spodní tlačný válec (2) jsou upevněny v nosné konstrukci prostřednictvím ložiskových domků v horizontální poloze.

3. Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že spodní tlačný válec (2) je pevný a horní tlačný válec (1) je osazen v kluzném vedení.

4. Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů podle nároků 1, 2 a 3, vyznačující se tím, že horní tlačný válec (1) je propojen se dvěma hydraulickými motory (Ml) pro regulaci síly přítlaku horního tlačného válce (1).

5. Tvářecí zařízení pro zušlechťování kovů podle nároku 1, vyznačující se tím, že deformační válec (3) je umístěn v deformační zóně (7) pod úhlem 72° a je uložen v kluzném vedení, přičemž po jeho stranách jsou umístěny dva hydraulické motory (M2) pro regulaci síly přítlaku.

6. Způsob zušlechťování kovů a jejich slitin extrémní plastickou deformací na zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že v první fázi procesuje kovový pás (6) zatížen spodním tlačným válcem (2) a horním tlačným válcem (1) a následně je tlačen do prostoru mezi horním tvářecím nástrojem (4) a dolním tvářecím nástrojem (5), přičemž působením smykových napětí v zóně (7) deformace, kde se nachází deformační válec (3), dochází k vysokému stupni deformace materiálu, což vede ke zjemnění zrna v rozmezí 10 až 40 mikrometrů.

7. Způsob zušlechťování kovů a jejich slitin podle nároku 6, vyznačující se tím, že úhel (a) zóny (7) deformace je u materiálů s vyšší tvařitelností nižší a u materiálů s nižší tvařitelností vyšší, a odpovídá i tloušťce a pevnosti zpracovávaného materiálu.

-5 CZ 309952 B6

8. Způsob zušlechťování kovů a jejich slitin podle nároku 6, vyznačující se tím, že mez kluzu zpracovávaného kovového pásu (6) vzroste až o 70 % a mez pevnosti až o 20 %.

9. Způsob zušlechťování kovů ajejich slitin podle nároku 7, vyznačující se tím, že průměry všech válců (1,2, 3) jsou dány tloušťkou a pevností zpracovávaného materiálu.