DK155505B - Apparat til kontinuerlig friktionsaktiveret ekstrusion - Google Patents

Description

DK 155505 B

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til kontinuert friktionsaktiveret ekstrusion og af den i krav l's indledning angivne art. Apparatet er særlig egnet til ekstrusion af metaller til fremstilling af tråde, strimler og andre aflange 5 legemer af betragtelig længde.

I GB-patentskrift 1.370.894 er der beskrevet et apparat til kontinuerlig friktionsdrevet ekstrusion, der nu kendes inden for metalindustrien som Conform-apparatet, og som har en gen-nemstrømningsåbning formet mellem en indløbs- og en udløbsende mellem en buet første del og en anden del i form af et hjul med et omløbende spor i hjulets omkredsflade, hvor den første del stikker ind i sporet, midler til rotation af hjulet i en retning, således at de flader af gennemstrømningsåbningen, der dannes af sporet, bevæger sig fra indløbsenden mod udløbsenden, midler for tilføring af metal til gennemstrømn i ngsåbn ingens indløbsende og mindst en dyse anbragt i eller tæt ved en anslagsdel, der strækker sig på tværs ved gennemstreømningsåb-ningens udløbsende for ekstrusion af materialet fra gennem-strømningsåbningen.

Man opdagede hurtigt, at metallet ikke behøver at tilføres i form af en stang, men kunne være i partikelform som beskrevet i britisk patent nr. 1.597.303 og 2.020.582 . I alle disse udføre! sesf ormer måtte imidlertid et anslag passe så tæt som mu- 25 ligt i sporet og eventuelt "skæg", som undveg mellem spor og anslag, måtte fjernes forsigtigt.

I forbindelse med kobber har hovedinteressen ligget i tilførsel i part i kel form, da ekstrusion fra stangtilførsel ved 30 Conform-apparatet ikke har været konkurrencedygtig med kendte trækn i ngsfremgangsmåder.

Part i kel formet kobber er blevet ekstruderet ved Conform-apparatet på en forsøgsmæssig skala, men de af maskineriet frem-35 bragte kræfter har herunder ligget ved materialets og kon* struktionsteknologiens grænser, og selv med højt uddannet forsøgspersonale har det vist sig vanskeligt at bevare tilfredsstillende ekstrusionsbetingelser i mere end 1 time eller der-

DK 155505B

2 omkring, og derfor kan apparatet ikke anses at være tilstrækkelig udviklet til kommerciel udnyttelse indtil det vil fungere uden afbrydelse under overvågelse af en faglært arbejder i mindst et 8-timers skift.

5

Det er nu blevet opdaget, at de kræfter, der kræves til at bevirke ekstrusion, i det mindste med tilførsel af partikelformet materiale, kan reduceres væsentligt ved en enkel, men meget signifikant ændring af apparatet, og at der i det til — fælde, hvor parti kel formet kobber bearbejdes, opnås en væsentlig forbedring med hensyn til pålidelighed og operationens kont i nui tet.

Ifølge opfindelsen er dette opnået ved, at det indledningsvist omtalte apparat er ejendommeligt ved det i den kendetegnende i 5 del af krav 1 anførte.

Almindeligvis behøves ingen særlige foranstaltninger for på passende måde at sikre metallets vedhængning i sporets overflade, men fer nogle metaller kan rigtigt valg af hjul- og 20 værktøjsmaterialer og -dimensioner være nødvendige.

For at bedre vedhængningen af m-aterialet til sporets overflade og reducere den kraftudøvelse, der er nødvendig for ekstru-sionen, “til et minimum, har anslagsdelen fortrinsvis et tværs-nit med en perifer længde (i beøring med det materiale, der

L O

ekstruderes fra gennemstrømningsåbningen}, som er væsentlig mindre end omkreds længden af det effektive sportværsn it, og fortrinsvis er anslagsdelen jævnt krummet. Af et antal nedenfor diskuterede grunde foretrækkes det at benytte et anslag „n med en halvcirkulær eller på anden måde afrundet ende i et firkantet eller tilnærmelsesvis kvadratisk spor, men hvis det kræves, kan omkredsen af sporets tværsnit yderligere øges ved at indsætte yderligere spor, ribber eller andre formationer i hovedsporets bund og/eller nedre sidevægge (hvis disse eksi-ΛΓ stere).

o 5

Som angivet oven for har anvendelsen af et anslag med halvcirkulært tværsnit et antal væsentlige fordele, når det benyttes i et firkantet eller tilnærmelsesvis firkantet spor.

DK 155505 B

3

For det første reduceres forholdet mellem anslagets perifere længde og dets tværsnitsarea1, hvilket vil reducere andelen af total forbrugt energi til afskæring af metal, der strømmer om ans1 åget.

5

For det andet har man fundet, at denne kombination af former medfører en væsentlig reduktion i drejningsmomentkravene i forhold til andre former med tilsvarende frigang ved en given ydelse. Dette overraskende resultat kan delvis forklares ved tilnærmede beregninger baseret på betragtninger af den langsgående kraft!igevægt i et system med et rektangulært anslag med en bredde 2a og en højde 2b.

Ved anvendelse af ligevægten for elastiske og plastiske spændinger, og under anvendelse af velkendte spændings/deformati-15 onsligninger, er det muligt at udlede en generaliseret Laplace-1igning, der bedømmer forskydningen af metallet ved ethvert punkt i det område, der støder op til anslagets flade. Løsning af denne ligning med passende grænsebetingelser fører til formlen 20 -Ky2 Ka 2Ka Γ» (-1)+1 n*y U(x,y,z) - -—o —2 " o L -γ- ® a -C0S-T- 2a f2 6fiZ π=1 n + i! .¥eia5« 25 n ulige n2 2b

Kx2 . p 2a£2 hvor U(x,y,z) er forskydningen ved et punkt med koordinaterne v v x (målt vinkelret fra anslagsfladen), y (målt på tværs ud fra vederlagets midterlinie) og z (målt radialt fra anslagets centrum); β og γ er konstante karakteristikker for de elastiske og plastiske egenskaber for det specielle metal, der 35 ekstruderes; K er forskydningsspændingen ved anslagets begrænsninger, og C er en konstant, der repræsenterer grænsebetingelserne.

DK 155505B

4

Ved at forudsætte, at trykket tæt ved ekstrusionsdysen må være lig med metallets karakteristiske ekstrusionstryk, pe, og ved at se bort fra den lille forskel i tryk mellem dysen og midtpunktet af anslagets basis følger, at trykket p(y,z) på an-5 slaget ved punktet med koordinaterne y,z vil nærme sig værdien 2K f nz Try \ P(y,z) = Pe + < tanh-1 (Sin ~ 1n cos Ja i·

Størrelserne i parantesen har modsat fortegn, og deres stør-reiser vokser hurtigt til store værdier efterhånden som y nærmer sig b og x nærmer sig a. Det er derfor klart, at den totale forskydningskraft på anslaget +j. +b 15 } j P(y,z) dy.dz y=' -a x= -b reduceres på hensigtsmæssig måde ved eliminering af den del af arealet, hvor både y og z samtidig er store.

20

For det tredje er en jævn buet form ønskelig for at undgå spændingskoncentrationer og strømningsforstyrrelser, der ville opstå ved ethvert skarpt hjørne, og en halvcirkulær form er ikke blot det optimale set her ud fra, men er også den enkleste og mest økonomiske jævne kurveform, man kan fremstille.

25 Når det metal, der skal ekstruderes, har en tendens til at blive oxyderet, kan det være ønskelig at benytte en atmosfære af en passende ikke-oxiderende gas (f.eks. nitrogen) for at beskytte det på hjulet recirkulerende materiale.

30

Andre fordele ved den foreliggende opfindelse er, at det på sporoverfladen vedhæftende materiale forbedrer grebet og at mængden af dannede grater reduceres; endvidere reduceres var-mespændinger, når metallet har en højere varme 1 edn ingsevne end materialet på hjulet.

o 5

Opfindelsen forklares nærmere i form af eksempler under henvisning til tegningen, hvori

DK 155505 B

5 fig. 1 er et delbillede af en kendt Conform-maskine, der viser anslaget og dysen set fra siden og en del af hjulet i tvær-snit, 5 fig. 2 er et snit langs linien II-II i fig. 1, fig. 3 og 4 er afbildninger svarende til fig. 1 og 2 af en fo-retrukken udførel sesform for apparatet ifølge opfindelsen, fig. 5 og 6 er to vinkelret på hinanden stående billeder af 10 anslaget, fig. 7 og 8 er to vinkelret på hinanden stående billeder af en dysedel, og fig. 9-13 er billeder svarende til fi g. 2 og 4 af andre udfø- 1 5 relsesformer for opfindelsen.

I en kendt Conform-maskine (fig. 1 og 2) er et hjul 1 med en forholdsvis stor diameter formet med et rektangulært spor 2, der danner tre sider af ekstrusionsgennemstrømningsåbningen 3.

20 Den fjerde side dannes af en enhed med en sko (hvoraf kun en lille del af vist) og et anslag 5.

En radial ekstrusi onsmunding 6 er formet i en dysedel 7 (der fortrinsvis er en særskilt komponent, skønt den kan være ud-25 formet i ét med anslaget eller skoen). Alternativt kan dysemundingen være formet tangentielt gennem selve anslaget. Skoen, anslaget og dysedelen er af materialer med stor styrke og de holdes i stilling af kraftige, ikke-viste bæredele, og kølemidler benyttes almindeligvis også. På kendt måde er fri-3Q gangen x indstillet til den mindste værdi under hensyn til hjulradiens uundgåelige tolerance. I et typisk apparat med et rektangulær hjulspor, er sporet f.eks. 0,6 mm bred og 14 mm dyb, og frigangen kan ligge mellem minimalt 0,05 mm og maksimalt 0,25 mm. Endvidere er der anbragt en skraber 8 til fra 35 hjulet at skrabe alle metalgrater, der er trådt ud gennem denne lille frigang, således at det ikke føres rundt om hjulet og tilbage til gennemstrømningsåbningen.

DK 155505B

6

Ved apparatet ifølge opfindelsen, og i direkte modsætning til denne kendte teknik, er et gab y (fig. 3), væsentlig større ; end det, der er krævet til blot at tilvejebringe en driftsfri- i gang.

5

Gabet vil normalt ikke være mindre end 1 mm ved det snævreste punkt. I den foretrukne udførelsesform vist i fig. 3-8, er anslaget 11 halvcirkulært som vist i fig. 4, og det foretrukne gab y (for det samme hjulspor) ligger i området 1,5 til 2 mm og den gennemsnitlige afstand over anslagets bredde er ca.

3,7 mm. Resultatet er, at en væsentlig del af materialet ekstruderes gennem gabet mellem anslaget 11 og hjulet 1 i form af et lag 12, der hæfter til hjulet og fortsætter rundt om dette for at genindføres i driftsgennemstrømningsåbningen 3 på det rigtige tidspunkt.

Som det fremgår af fig. 5, er anslagets krumme overflade 13 tilspidset i en længderetning for at reducere dets berøringsområde med det metal, der bearbejdes, under hensyntagen til, at styrken skal være tilstrækkelig. En tilspidsningsvinkel på 2 0 2° anses for at være optimal.

Som vist i fig. 7 og 8, er den foretrukne form for dysedelen en enkelt blok 14, der har en dysemunding 15 (der kan være formet i en ringformet dyseindsats), og udvidet med en kontra-25 boring 16 på den anden side for at tilvejebringe en frigang omkring det ekstruderede produkt.

Skønt det halvcirkulære tværsnit vist i fig. 4 er det mest foretrukne, kan man benytte andre ans1agsformer, der tilveje-bringer en væsentlig frigang. Eksempler omfatter de, på tegningen viste og er:

Et enkelt rektangel, fortrinsvis med hjørner med en lille radius som vist ved henvisningstallet 17 i fig. 9 og anbragt med afstand fra sporets bund; 3 5 et rektangel med kraftige afrundinger, som vist ved henvisningstallet 18 i fig. 10;

DK 155505 B

7 en halvelipse, som vist ved henvisningstal let 19 i fig. 11; et parabolsk segment, som vist ved henvisningstallet 20 i fig.

12; og 5 en trekant med afrundet spids, som vist ved henvisningstallet 21 i fig. 13.

Eksempel 1

Et model "2D" Conform-apparat leveret af Babcock Wire Equipment Ltd. har et spor og et anslag af den i fig. 1 og 2 viste form. Denne Conform-apparat-model var konstrueret til ekstru-sion af aluminium, og den siges at have fungeret tilfredsstillende i denne funktion.

15 Når apparatet blev fødet med partikelformet kobber (med elektrisk ledningsevne i form af i småstykker hugget ledning, gennemsnitlig partikelstørrelse ca. 3 mm) ved omgivelsestemperatur til fremstilling af en enkel tråd med en diameter på 2 mm, lå den nødvendige kraft til at bevirke ekstrusion (som målt 20 ved et drejningsmoment påført hovedhjulet ved en hastighed på ca. 5 omdr./min) vildt varierende i området fra 31 - 37 kNm.

Ud af toogtyve korte forsøgsløb blev tretten afsluttet ved, at motoren gik i stå eller på grund af andre stop i løbet af 2 min.; de øvrige blev standset efter ca. 10 min. på grund af 2 5 ti 1 før ingsbegrænsinger. Efter ændring af anslaget til den i fig. 2, 3 og 4 viste form, blev ekstrusionskraften stabiliseret til ca. 26 kNm, og man opnåede nemt en kontinuert kørsel på 1 time (begrænset af optagningsudstyrets kapacitet).

30 Eksempel 2 I et mere nøjagtigt sammenligningsforsøg blev det samme apparat som benyttet i eksempel 1 drevet med fire forskellige anslag: 3 5 (I) et kendt, blokerende» rektangulært anslag; (II) et rektangulært anslag med lille højde, der gav en ensartet frigang på ca. 1,1 mm (som i fig. 9, men med et meget skarpere hjørne); ...

DK 155505B

8 (III) det foretrukne halvcirkulære anslag vist i fig. 2-3; og (IV) et anslag med tilnærmelsesvist elipseform, som vist i fig. 11.

5

Apparatet fik tilført det samme til småstykker huggede kobbergranulat gennem en tragt, der blev holdt fuld nok til, at hjulhastigheden kunne styre udgangshastigheden, og hjulhastigheden blev indstillet til den pågældende værdi, som var nødvendig til at opnå en udgangsmængde på 2 m/s for en tråd med en diameter på 2 mm.

Den følgende tabel giver de væsentlige dimensioner for anslaget og angiver den nødvendige hastighed, den nødvendige kraft og drejningsmomentet for at opnå den angivne udgangsmængde med 15 de forskellige vederlag:

Anslag (I) (II) (III) (V)

Areal (mm2) 72,8 63,1 62 47

Omkreds (mm) 24,1 22,7 21,0 18,5 20 Hjul hastighed (omdr./min.) 9,5 10,3 10,2 17

Drejningsmoment (kNm) 30,4 29,2 26,6 25,1

Kraft (kW) 37,7 38,6 37,6 48,6

Tabellens resultater viser klart det reducerede drejningsmo- 2 5 ment opnået ved anvendelsen af opfindelsen og demonstrerer yderligere den markerede overlegenhed af det halvcirkulære vederlag (III) til at give et kraftigt reduceret drejningsmoment uden nogen forøgelse i kraftforbrug.

30 Det ses, at det elliptiske anslag (IV) sikrede et endnu lavere drejningsmoment på grund af de større frigange, men på bekostning af et forøget kraftforbrug. Dette kan skyldes en forøget mængde gratdannelse ved anslagets sider, og ydelsen kunne sandsynligvis forbedres ved at forøge hjulsporets dybde, men 35 det formodes ikke, at de resultater, der er opnået med det halvcirkulære anslag (III), kunne forbedres på denne måde.

Claims (5)

1. Apparat til kontinuert friktionsaktiveret ekstrusion, om-5 fattende en gennemstrømningsåbning (3), der strækker sig fra en indløbsende til en udløbsende mellem en buet første del (4, 7. og en anden del i form af et hjul (1) med et rundtgående spor (2) formet i dets omkredsflade, og hvor den første del stikker ind i sporet, organer til rotation af hjulet i en så-dan retning, at de flader af gennemstrømningsåbningen, der dannes af sporet, forskydes fra indløbsenden hen imod udløbsenden, organer til at tilføre metal i gennemstrømningsåbningens indløbsende og mindst en dyse (6) placeret i eller tæt ved en anslagsdel (11,17-21), der forløber på tværs af gennem-15 strømningsåbningens udløbsende for ekstrusion af materialet fra gennemstrømningsåbningen, kendetegnet ved, at anslagsdelen (11,17-21) har et væsentligt mindre tværsnit end gennemstrømningsåbningen (3) og efterlader et væsentligt gab (y) mellem anslagsdelen og sporets overflade, hvor en væsentlig del tyq af metallet vil blive ekstruderet gennem gabet for at forblive som en foring i sporet og føres tilbage til gennemstrømningsåbningen ved indførselsenden.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at an slagsdelen har et tværsnit med en perifer længde, der er 25 væsentlig mindre end de perifere længder for det effektive tværsnit af sporet.

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at an slagsdelen .er jævnt buet. 30

4. Apparat ifølge krav 3, kendetegnet ved, at an slaget er halvcirkelformet og sporet er retkangulært.

5. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at an slaget i det væsentlige er rektangulært med afrundede hjørner. 35