Разработка мероприятий для улучшения качества и модернизации производства медного чехла

1. Понятие принципа сверхпроводимости и основы работы сверхпроводников

1.1 Понятие сверхпроводимости

Сверхпроводимость — физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Г_с, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера). Явление открыто в 1911 г. X. Каммерлинг-Оннесом. Изучая температурный ход электросопротивления Hg, он обнаружил, что при температуре ниже 4,22 К Hg практически теряет сопротивление.

Далее оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением, по крайней мере, в 10−12 раз меньше, чем при комнатной температуре.

Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.

Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:

— повышение температуры;

— действие достаточно сильного магнитного поля;

— достаточно большая плотность тока в образце.

С повышением температуры до некоторой Г_с почти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).

1.2 Обоснование использования Nb₃Sn сверхпроводников

Постоянно растущие требования к магнитным полям и техническому качеству сверхпроводников продолжают повышать планку для технологий производства сверхпроводящих стрендов по плотности критического тока в высоких полях. Сравнение критических токов для длинномерных сверхпроводящих стрендов под воздействием внешнего магнитного поля более 10 Тл показано на рисунке 2.

Рисунок 1 — Различия в критической плотности тока сверхпроводников, нормированной или на площадь поперечного сечения (Nb-Ti, Bi-2212) или на расходы по производству сверхпроводника (Nb₃Sn, Nb₃Al). Условно для использования в ускорителях критическая плотность тока должна превышать 1000 А/мм²

Обычно производители магнитов для ускорителей ориентируются на плотность нестабилизированного критического тока порядка 1000 А/мм² или более, что ограничивает применение NbTi проводников (используемых в частности в LHC) для полей более 12 Тл. Огромный потенциал многоволоконных ВТСП сверхпроводников Bi-2212 круглого сечения для высоких полей очевиден, при условии, что будет разработана технология его промышленного производства. На данный же момент для ВТСП проводников не решены такие ключевые вопросы как: создание низкооомных контактов, долговременная стабильность критических токов при больших механических нагрузках, электрическая защита при переходе в нормальное состояние. Кроме того, дальнейшее развитие ВТСП материалов и появление лабораторных соленоидов и ЯМР спектрометров с магнитной индукцией 25−30 Тл вовсе не будет означать снижения интереса к НТСП. Все разрабатываемые сейчас соленоиды данного класса представляют собой комбинированные системы, в которых из ВТСП выполнены лишь внутренние секции, основная часть соленоида изготавливается из НТСП.

Многоволоконные сверхпроводники на основе V₃Ga представляют интерес как перспективный материал для использования в высоких магнитных полях (в интервале от 12 до 20 Тл), поскольку известно, что соединение V₃Ga имеет из всех сверхпроводящих фаз со структурой А15 самую высокую величину электронной теплоемкости, от которой непосредственно зависит уровень критической плотности тока. Главным недостатком таких проводников является крайне высокая стоимость и дефицитность входящих в него компонентов.

Многожильный сверхпроводник на основе Nb₃Al также может использоваться при создании высокопольных магнитов. Эти проводники, полученные с помощью быстрой закалки и последующего отжига, обладают лучшей устойчивостью к деформации и показывают многообещающие высокопольные характеристики. Nb₃Al сверхпроводники имеют лучшие показатели, чем V₃Ga и Nb₃Sn по таким свойствам, как критическая температура, верхнее критическое магнитное поле.

Однако получить технический сверхпроводник на основе Nb₃Al очень сложно. Это связано с нестабильностью Nb₃Al в равновесных условиях из-за отклонения состава соединения от стехиометрического (3:1) в сторону обогащения ниобием при температурах менее 1750⁰С. Высокопольные свойства таких нестехиометричных сверхпроводников существенно ниже, чем коммерческих многоволоконных Nb₃Sn. Получить стабильное стехиометрическое соединение Nb₃Al с высокой критической температурой возможно только в результате отжига при температуре более 1800⁰С. Однако при этом снижается плотность критического тока, особенно в низких магнитных полях, так как происходит быстрый рост зерен, который приводит к снижению плотности границ зерен, являющихся центрами пиннинга в этих сверхпроводниках. Для преодоления этой проблемы предложено получать Nb₃Al проводники с помощью метода быстрого охлаждения. В этом методе сверхпроводящую фазу с хорошей зеренной структурой осаждают из пересыщенной Nb-Al ОЦК фазы при температуре около 800⁰С. Таким образом, чтобы получить стехиометрическое соединение Nb₃Al с высокой критической температурой необходимо проводить отжиг при высокой температуре в сочетании с быстрой закалкой и последующим упрочняющим отжигом. Получить же соединение Nb₃Al по твердофазной технологии не удается, потому что прямая диффузионная реакция между ниобием и алюминием для образования Nb₃Al затруднена, вследствие того, что интерметаллидные соединения, обогащенные алюминием, то есть NbAl₃ и Nb₂Al (-фаза) формируются быстрее.

В настоящее время проводники на основе соединения Nb₃Sn заняли ведущее место среди материалов, пригодных для широкого технического использования, включая использование их в высоких магнитных полях. Такое положение объясняется не только высокими критическими свойствами соединения Nb₃Sn, но также и тем, что входящие в него компоненты являются более дешевыми и менее дефицитными. К тому же при получении многожильных проводников на основе соединения Nb₃Sn приходится сталкиваться с меньшими технологическими трудностями, чем при получении этих материалов на основе других интерметаллидов.

1.3 Конструкции составных заготовок для многожильных сверхпроводников

Рисунок 2 — Схема производства многожильного провода

В большинстве случаев многожильные сверхпроводники изготавливаются методами обработки давлением составных композитных заготовок. При изготовлении сверхпроводников на основе деформируемых материалов составная заготовка состоит из прутков NbTi сплава, заключенных в медную матрицу. В случае сверхпроводников на основе Nb₃Sn (V₃Ga) ниобиевые (ванадиевые) стержни располагаются в матрице из оловянной (галлиевой) бронзы. В процессе горячей (теплой) деформации таких составных заготовок происходит сварка отдельных элементов композиции. В результате дальнейшей, как правило, холодной деформации с промежуточными термообработками получается длинномерный многожильный композит, являющийся в случае NbTi сплава готовым сверхпроводником. В случае интерметаллидных проводников сверхпроводящая фаза образуется на границе контакта ниобия (ванадия) с бронзой в процессе диффузионного отжига.

Обычно геометрия сечения готового композита в основном соответствует геометрии сечения исходной составной заготовки. Однако, при неправильно выбранных технологических параметрах изготовления провода может быть нарушено запланированное строение сечения сверхпроводника (искажение формы жил, неоднородность их размеров и т. п.). В тех случаях, когда элементы составной заготовки состоят из материалов с сильно отличающимися прочностными характеристиками, либо когда имеет место неблагоприятное объемное соотношение и расположение сверхпроводящих жил в сечении составной заготовки, наблюдается искажение геометрии или разрыв жил готового композита.

Возможность совместной деформации различных по свойствам материалов определяется: объемным соотношением сверхпроводника и нормального металла, их прочностными свойствами, расположением сверхпроводящих жил в сечении составной заготовки (периферия, центр и т. д.), степенью деформации при выдавливании. При изготовлении составной заготовки могут быть использованы различные технологические приемы.

Рассмотрим основные элементы конструкций составных заготовок для изготовления многожильных сверхпроводников, но наиболее распространенной технологической схеме, включающей в себя следующие операции:

1. Сборка биметаллической заготовки.

2. Выдавливание заготовки и изготовление шестигранного биметаллического прутка.

3. Первая сборка составной заготовки из биметаллических прутков.

4. Выдавливание заготовки и изготовление многожильного прутка или готового композита.

5. Вторая сборка составной заготовки из многожильных прутков.

6. Выдавливание заготовки и изготовление готового многожильного провода.

Последовательность операций может быть при необходимости продолжена, но обычно достаточно двукратной сборки.

Стадия изготовления биметаллической заготовки под выдавливание может отсутствовать; при этом шестигранный биметаллический пруток собирается из отдельных элементов — трубки и прутка.

Изготовление одножильного проводника заканчивается стадией 2; при этом вместо шестигранного прутка получают готовую биметаллическую проволоку.

Готовый многожильный композит может быть получен при завершении четвертой или шестой стадии; композит или многожильный провод, получаемый на четвертой стадии, принято называть проводом однократной сборки; на шестой стадии — двукратной.

На рисунке 3 представлена схема конструкций биметаллической заготовки и получаемого из нее прутка.

а б Рисунок 3 — Схема конструкции биметаллической заготовки (а) и шестигранного биметаллического прутка (б): 1 — оболочка из меди или бронзы; 2 — сверхпроводящий сплав или ниобий (ванадий)

1.4 Технические требования к исходной заготовке

Технологический процесс получения многоволоконного композитного стренда диаметром 2 мм на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn, представляющего собой проволоку круглого сечения, скрученную относительно собственной оси, состоящую из бронзовой матрицы с ниобиевыми волокнами, ниобиевого барьера с танталовыми разделителями, наружной медной оболочки — это многооперационный процесс, направленный на создание длинномерных отрезков многоволоконного композита (стренда) с постоянной и правильной геометрией поперечного сечения, без обрывов и пережимов волокон внутри стренда, разрывов барьера и танталовых разделителей.

Основой многоволоконного сверхпроводника является пруток из соединения NbTi.

Для получения многоволоконного композитного стренда используют следующие основные исходные материалы:

— высокочистый ниобий марки Нб М (для волокон) и Нб Б (для барьеров);

— медь марки М00б, имеющей химический состав по ГОСТ 859–2001. К данной меди предъявляется дополнительное требование по отношению электросопротивлений при температурах 273 К и 20 К, обозначаемое RRR. Для медных слитков RRR должно составлять не менее 250. Это обеспечивает криогенную стабилизацию многоволоконного стренда;

— медь марки М1, имеющая химический состав по ГОСТ 859–2001 [5];

— медь листовая марки М1 по ГОСТ 1173–2006 [5];

— бронза марки БрОТ 14−0,2 или марки BD-3, изготовленная фирмой «Wieland»;

— танталовые полосы с тв? рдостью НВ<85 кгс/мм². Химический состав тантала должен соответствовать требованиям технологической инструкции.

1.5 Технологический процесс производства исходного материала

а) Изготовление ниобий-титановых прутков из составной заготовки Изготовление составной заготовки включает следующие основные операции:

— изготовление ниобиевого сердечника;

— изготовление втулки медного чехла;

— изготовление медных крышек;

— химическая обработка элементов составной заготовки;

— сборка составной заготовки;

— заварка, вакуумирование и герметизация составной заготовки;

— выдавливание заготовки;

— волочение до прутка шестигранного сечения.

Комплектующие детали для исходной сборки: сердечник из ниобия марки Нб М втулка чехла и крышки из меди марки М 1 по ГОСТ 859–2001.

б) Изготовление втулок чехлов, прутков из бронзы БрОТ 14−0,2

данный раздел технологической инструкции устанавливает режимы изготовления втулок чехлов, шестигранных и круглых прутков из бронзы БрОТ 14−0,2. Изготовление втулок чехлов включает в себя следующие операции:

— изготовление прутков;

— термическая обработка (гомогенизация) бронзовых прутков;

— изготовление бронзовых прутков;

— изготовление прутков и прутков-заполнителей из бронзы БрОТ 14−0,2;

— изготовление бронзового чехла;

— термическая обработка (гомогенизация) бронзовых труб.

в) Изготовление медных крышек для первой многоволоконой заготовки Крышки изготавливают из листовой меди марки М1 ГОСТ 1173–2006 вырубкой из листа с последующей токарной обработкой.

г) Изготовление композитных многоволоконных ниобий-титановых прутков Изготовление включает в себя сборку первой многоволоконной заготовки; Составная многоволоконная заготовка предназначена для получения композитного многоволоконного прутка методом горячего прессования. Деталями составной заготовки являются:

— втулка бронзового чехла;

— крышки медные (марки М1);

— прутки одноволоконные шестигранные;

— прутки бронзовые шестигранные;

— прутки-заполнители из бронзы.

Прессование первой многоволоконной заготовки диаметром 205 мм происходит на гидравлическом прессе усилием 10 МН в матрицу диаметром 7,2 мм.

Волочение многоволоконного прутка с диаметра 7,2 мм до диаметра 6 мм выполняется на волочильном стане барабанного типа фирмы EURODRAW.

1.6 Изготовление диффузионных барьеров из ниобия

Исходным материалом для изготовления ниобиевых диффузионных барьеров являются слитки ниобия марки Нб Б по технологической инструкции, имеющие твердость НВ 60±5 кгс/мм².

Из ниобиевых слитков изготавливают трубные заготовки. Ниобиевые слитки обтачивают до диаметра 248 мм и торцуют. Затем на всех заготовках проводят сверление для формирования внутреннего цилиндрического отверстия диаметром 140 мм с допуском на разнотолщинность 0,6 мм. Проводят дробеструйную обработку внутренней и наружной поверхностей гильзы. Подготовленные заготовки маркируют и подвергают нагреву в печах электросопротивления или индукционным способом. Продолжительность выдержки в печах сопротивления составляет от 4 до 5 часов при температуре регулирующей термопары 1200⁰С. Время нагрева в индукционных печах 40 минут и окончательно устанавливается в процессе отработки технологии нагрева на этих печах. После нагрева заготовки выдавливают на прессе усилием 10 МН в трубные заготовки (гильзы) размером наружным диаметром 168 мм и внутренним — 138 мм с охлаждением в воде. Скорость прессования составляет 200 мм/с.

Температура контейнера и матрицы 450 ⁰С.

От полученных труб отрезают дефектные концы и отрезают с каждой стороны по одному образцу-свидетелю в виде кольца высотой 20 мм. Затем трубы разрезают на мерные заготовки согласно чертежу и проводят их химическую обработку.

1.7 Изготовление разделителей из тантала

Для сборки второй многоволоконной заготовки испьльзуют готовые танталовые разделители в виде полос шириной 13 мм и толщиной 1,3 мм с твердостью по Виккерсу не выше 85 кгс/мм.

1.8 Изготовление втулок медных чехлов и крышек к ним

Втулки медных чехлов с наружным диаметром 203 мм и внутренним диаметром 139,7 мм изготавливают из медных труб марки М00б. Медные трубы режут на мерные длины, которых изготавливают методом токарной обработки втулки чехлов. Крышки изготавливают из листовой меди марки М1 по ГОСТ 1173–2006.

1.9 Сборка составной многоволоконной окончательной заготовки

Окончательная составная многоволоконная заготовка предназначена для получения композитного многоволоконного прутка диаметром 55 мм методом горячего прессования.

Вторая многоволоконная заготовка под контейнер диаметром 200 мм состоит из следующих деталей:

— втулка чехла из меди;

— пруток шестигранный многоволоконный;

— пруток-заполнитель композиционный;

— прутки-заполнители из легированной титаном бронзы БрОТ 14−0,2;

— трубный барьер из ниобия;

— танталовый разделитель;

— медные крышки;

— пресснадставка из оборотной бронзы.

Детали составной заготовки перед сборкой подвергают химической обработке.

Технологический процесс химической обработки деталей составных заготовок включает в себя операции, выполняемые в следующей последовательности:

— подготовка садки;

— загрузка садки;

— обезжиривание;

— промывка;

— травление;

— промывка;

— сушка.

Параметры технологического процесса химической обработки деталей для составной многоволоконной заготовки представлены в таблице 1. Химобработку проводят на линии химической обработки МЛХ 171.

Таблица 1 — Параметры технологического процесса химической обработки деталей

Многоволоконные ниобий-титановые прутки подвергают вихретоковому контролю для выявления поверхностных и внутренних дефектов.

Составная заготовка должна быть выполнена в соответствии с конструкторской документацией. Все подготовленные элементы собирают в определенном порядке в соответствии с картой сборки в медный чехол. Собранные составные заготовки передают на участок заварки и вакуумирования. Собранные композиционные заготовки вакуумируют в течение 2 часов и герметизируют на установке электронно-лучевой сварки АЭЛТК приваркой крышек.

1.10 Выдавливание окончательной составной многоволоконной заготовки

Композитные заготовки диаметром 203 мм перед нагревом смазывают при помощи поролонового тампона НИК или МГС-61 ровным тонким слоем. Проводят сушку на воздухе в течение 24 часов. Загружать заготовки на нагрев с непросушенной смазкой запрещается.

Заготовки нагревают в печи сопротивления ПН-15. Время нагрева и расположение заготовок корректируется в зависимости от массы садки и определяется в процессе контрольных нагревов. Продолжительность выдержки в печи сопротивления при температуре регулирующей термопары 670⁰С составляет 4,5 часа.

Композиционные заготовки диаметром 205 мм прессуют на гидравлическом прессе усилием 10 МН в матрицу диаметром 55 мм. Скорость выдавливания заготовок составляет 8−10 мм/с. Температура нагрева контейнера составляет 470⁰С, температура нагрева инструмента — 400⁰С.

Выдавленные прутки диаметром 55 мм правят на прессе П-425. От выдавленных прутков отрезают задние и передние дефектные технологические концы. Длина удаляемых дефектных участков составляет по 1500 мм с обоих концов. После удаления дефектных концов проводят обточку прутков со съемом 0,95 мм по диаметру на установке бесцентровой обточки ВТ-3. После обточки от прутка с обоих концов отрезают образцы для контроля геометрии поперечного сечения и определения объемной доли меди в сечении. В результате прессования сечение прутка имеет вид, представленный на рисунке 3.

Рисунок 4 — Поперечное сечение выдавленного прутка диаметром 55 мм

1.11 Волочение выдавленных прутков

С целью получения многоволоконного композиционного Nb₃Sn стренда диаметром 2 мм выдавленные прутки подвергают деформации волочением с промежуточными отжигами в проходных печах с защитной атмосферой (суммарная деформация между отжигами не более 36%). Режимы деформации прутков представлены в таблице 2. В качестве смазки при волочении используют масло SINTEK FL/80.

Таблица 2 — Режимы деформации и промежуточных отжигов прутков для сплава Nb₃Sn

На диаметре проволоки 2,5 мм проводят операцию твистирования (скручивание проволоки вокруг собственной оси) на крутильных машинах двукратного скручивания DSI 631 с шагом 13,5 мм, направление скручивания — правое.

После отжига твистированного провода на диаметре 2,08 мм необходимо отрезать заправочные нетвистированные передние и задние концы стренда длиной по 10 метров.

Катушки со стрендом диаметром 2 мм помещают в тару, предотвращающую попадание загрязнений, и передают на очистку.

1.12 Очистка поверхности готового стренда

Очистку поверхности готового стренда от смазочных материалов, окислов и иных загрязнений проводят на специализированной установке. Режимы очистки устанавливают в процессе освоения оборудования.

1.13 Приемка готового стренда

Приемку готового стренда проводят на соответствие требованиям технологической инструкции.

После прохождения контроля производится отбор образцов на анализ токовых характеристик, для чего от переднего и заднего конца отрезаются образцы заданной длины.

Далее проволока перематываются в катушки необходимой длины и упаковываются в специальную тару и отправляется во Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности (ОАО ВНИИКП), где будет произведена скрутка кабеля, намотка его на катушку и проведен заключительный отжиг в вакуумной печи.

Упаковка, транспортировка и хранение стренда должны выполняться в соответствии с требованиями технической инструкции.

Исходя из вышеизложенного можно сказать, что целесообразно рассмотреть прессование, его возможности и проблемы для интенсификации технологического процесса производства с/п кабеля, так как этот способ пластической обработки находит широкое применение при деформировании как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладающих значительной природной жесткостью, а также в одинаковой мере применим для обработки металлических порошков и неметаллических материалов Достоинства прессования — высокое давление, идеальные условия для качественной сварки разнородных компонентов, хорошая проработка структуры и возможность получения длинномерного изделия.

К недостаткам прессования можно отнести:

— большие концевые отходы.

— значительная стоимость специализированных машин и инструмента;

— значительная скорость выталкивания пресс-изделия в результате «сжимаемости» жидкости, что вызывает необходимость в устройстве специальных тормозов, исключающих смятие изделия.

Поэтому широкого промышленного применения процесс гидропрессования пока не нашел.

Для уменьшения концевых отходов целесообразно применить гидропрессование, так как оно дает возможность проводить операцию прессования материалов с минимальными углами матричной воронки, это позволяет минимизировать концевые отходы и увеличить коэффициент использования дорогостоящих компонентов.

2. Расчет на прочность контейнера

Схема цилиндрической монолитной рабочей втулки контейнера представлена на рисунке 5.

Для расчета на прочность контейнер можно представить как толстостенный цилиндр, равномерно нагруженный внутренним давлением. Тогда тангенциальные и радиальные напряжения в стенках сплошного контейнера рассчитываются по формуле Лямэ, представленной в источнике.

Рисунок 5 — Схема цилиндрической монолитной рабочей втулки контейнера

(1)

где r — внутренний радиус контейнера, мм;

R — наружный радиус контейнера, мм;

P — расстояние от оси контейнера до точки, в которой определяют напряжение, мм.

По третьей теории прочности эквивалентные напряжения равны

(2)

Из анализа формул (1), (2) видно, что наибольшие напряжения возникают на внутренней стороне поверхности контейнера (при p = r)

(3)

(4)

Введем понятие коэффициенты толстостенности, тогда формулы (3), (4) можно представить

(5)

(6)

(7)

Считая, что эквивалентные напряжения на внутренней поверхности контейнера равны допустимым напряжениям по формуле (7) можно определить наибольшее допустимое для сплошного контейнера давление

(8)

Для многослойных контейнеров необходимо определить давление на поверхностях сопряжения втулок по формуле

(9)

где E_i — модуль упругости при рабочей температуре.

Проведем проверку контейнера. Размеры втулок: внутренний диаметр внутренней втулки 235 мм, внешний втулки — 462 мм; наружный диаметр внутренней втулки 432 мм, внешний втулки — 720 мм. Материал втулки: внутренняя — 38ХН3МФА, внешняя — 5ХМН.

Принимаем, что температура контейнера постоянна по длине и сечению. Номинальное усилие пресса 10 МН.

Поперечное сечение полости контейнера

;

Напряжение, создаваемое прессштемпелем Тогда рабочее напряжение равно:

Найдем допустимое значение напряжения материала втулки, используя данные в источнике [9]

Определим давление от натяга по формуле (9)

По результатам расчета контейнер является работоспособным, поскольку напряжение по сечению втулки не превосходит величины допустимого.

3. Прессование металла как метод производства длинномерных изделий

3.1 Схемы прессования металла

При обработке металлов давлением полуфабрикаты и изделия получают пластическим деформированием исходной заготовки без снятия стружки. Этот процесс отличается значительной экономичностью, высоким выходом годного и большой производительностью. Обработка давлением можно изготовить детали самых различных размеров (от миллиметра до нескольких метров) и формы.

Обработка металлов давлением обычно преследует две основные цели: получение изделий сложной формы из заготовок простой формы и улучшение кристаллической структуры исходного литого металла с повышением его физико-механических свойств. Давлением обрабатывают примерно 90% всей выплавляемой стали, а также большое количество цветных металлов и их сплавов.

К обработке металлов давлением относят прокатку, волочение, прессование, ковку, штамповку, и некоторые специальные процессы, например, отделочную и упрочняющую обработку пластическим деформированием и т. д. Методы обработки металлов давлением классифицируют по схемам технологического процесса.

При прессовании металл выдавливают из замкнутой полости через отверстие, получая пруток или трубу с профилем, соответствующим сечению отверстия инструмента. Исходный материал для прессования — слитки или отдельные заготовки. Существуют два метода прессования — прямой и обратный. При прямом прессовании движение пуансона пресса и истечение металла через отверстие матрицы происходят в одном направлении. При обратном прессовании заготовку закладывают в глухой контейнер, и она при прессовании остается неподвижной, а истечение материала из отверстия матрицы, которая крепится на конце полого пуансон, происходит в направлении, обратном движению пуансона с матрицей.

Обратное прессование по сравнению с прямым требует меньших усилий и прессостаток в этом случае меньше, однако меньшая деформация при обратном прессовании приводит к тому, что прессованный пруток сохраняет следы структуры литого металла. Основное преимущество прессованных изделий — точность их размеров. Кроме того, ассортимент изделий, получаемый прессованием, весьма разнообразен, и этим методом можно получить очень сложные профили.

Рисунок 6 — Схема прямого прессования Т-образного профиля: 1 контейнер (толстостенная цилиндрическая втулка); 2 пресс-шайба; 3 матрица; 4 отверстие матрицы; 5 форма поперечного сечения готового пресс-изделия (профиля); 6 деформируемая заготовка; 7 пресс-штемпель; P — сжимающие силы Согласно схеме на рисунке 6, деформируемая заготовка 6 заключена в толстостенную цилиндрическую втулку 1, называемую контейнером 1. Контейнер с одного конца прочно закрыт матрицей 3, имеющей отверстие (канал) 4. С противоположного конца в контейнер 1 вставлена пресс-шайба 2 в форме диска, передающая заготовке усилие Р от пресс-штемпеля 7, Металл заготовки под действием усилия Р, не имея другого выхода, кроме канала в матрице, выдавливается из последнего в виде длинномерного профиля с сечением, повторяющим сечение канала матрицы. Поскольку форма канала матрицы может быть весьма сложной, прессованием наряду с простыми профилями (круглого, квадратного, прямоугольного и др. сечений), можно получить очень сложные конструкционные пресс-изделия, изображенные на рисунке 7.

Рисунок 7 — Типовые представители пресс-изделий Прогресс современной техники (появление новых летательных аппаратов, автомобилей, железнодорожных вагонов, поливальной передвижной установки и т. п.) немыслим без металлопродукции (рисунок 7), которую получают прессованием.

Прессование металла это вытеснение с помощью пуансона металла исходной заготовки (чаще всего цилиндрической формы), помещенной в контейнер, через отверстие матрицы. Этот способ пластической обработки находит широкое применение при деформировании как в горячем, так и в холодном состоянии металлов, имеющих не только высокую податливость, но и обладающих значительной природной жесткостью, а также в одинаковой мере применим для обработки металлических порошков и неметаллических материалов (пластмасс и др.). Прессованием изготовляют прутки диаметром 3.250 мм, трубы диаметром 20.400 мм при толщине стенки 1,5.12 мм, полые профили с несколькими каналами сложного сечения, с наружными и внутренними ребрами, разнообразные профили с постоянным и изменяющимся (плавно или ступенчато) сечением по длине. Профили для изготовления деталей машин, несущих конструкций и других изделий, получаемые прессованием, часто оказываются более экономичными, чем изготовляемые прокаткой, штамповкой или отливкой с последующей механической обработкой. Кроме того, прессованием получают изделия весьма сложной конфигурации, что исключается при других способах пластической обработки. К основным преимуществам прессования металла относятся: возможность успешной пластической обработки с высокими вытяжками, в том числе малопластичных металлов и сплавов; возможность получения практически любого поперечного сечения изделия, что при обработке металла другими способами не всегда удается; получение широкого сортамента изделий на одном и том же прессовом оборудовании с заменой только матрицы; производство изделий с высокими качеством поверхности и точностью размеров поперечного сечения, что во многих случаях превышает принятую точность при пластической обработке металла другими способами (например, при прокатке). К недостаткам получения изделий прессованием следует отнести: повышенный расход металла на единицу, изделия из-за существенных потерь в виде пресс-остатка; появление в некоторых случаях заметной неравномерности механических и других свойств по длине и поперечному сечению изделия; сравнительно высокую стоимость прессового инструмента. Основным признаком разновидностей процесса прессования является наличие или отсутствие поступательного перемещения металла относительно стенок приемника (контейнера), за исключением небольших участков вблизи матрицы, называемых мертвыми зонами, где перемещение металла отсутствует. Наряду с наиболее распространенным методом прессования. С прямым истечением, которое используется для получения сплошных и полых изделий, широкое применение получил обратный (обращенный) метод, а также другие схемы истечения металла. Каждый из этих методов имеет определенные преимущества. Так, например, при боковом истечении металла помимо удобств приема пресс-изделия обеспечивается минимальная разница механических свойств изделия в поперечном и продольном направлениях. Процесс прессования выполняется в условиях неравномерного всестороннего сжатия металла, что положительно сказывается на увеличении его пластичности. Поэтому прессованием можно обрабатывать металлы и сплавы с низкой природной пластичностью. Однако трехосное сжатие вызывает необходимость значительных усилий при обработке. Поэтому прессование требует повышенного расхода энергии на единицу объема деформируемого тела. Как отмечалось, при прессовании в местах перехода контейнера в матрицу появляются так называемые мертвые углы, т. е. такие зоны, которые испытывают лишь упругую деформацию. Течение металла в мертвых зонах отсутствует, пока размер пресс-остатка не будет достаточно мал. Эти мертвые зоны при прессовании прутков большой длины в известной мере играют положительную роль, так как оказывают фильтрующее воздействие: в мертвых углах задерживаются различные загрязнения, что предохраняет от вдавливания посторонних включений в поверхностные слои изделия. При неправильно выбранном размере пресс-остатка загрязнения мертвых углов могут попасть в изделие и вызвать заметное понижение его качеств. Все это необходимо учитывать при разработке технологического процесса прессования. Практикой установлено, что при нормальных условиях прессования минимальная высота пресс-остатка составляет 0,10. 0,30 диаметра исходной заготовки. Силовые условия прессования определяются свойствами деформируемого металла, температурным режимом, размерами заготовки, скоростью и степенью деформации, значением контактного трения, геометрией инструмента и др. К сожалению, еще не разработана методика, позволяющая связать все эти факторы в математическую зависимость для определения усилий прессования. Поэтому приходится пользоваться методами расчета, лишь приближенно отражающими условия деформации.

3.2 Технологические процессы прессования труб и кабелей

В настоящее время применяют различные методы и способы прессования, в том числе прямое прессование труб, прутков и профилей, обратное прессование прутков и профилей, совмещенное прессование труб с прошивкой при закрытом контейнере, прессование профилей переменного сечения, прессование с противодавлением, вакуумное прессование. Процесс прессования характеризуется следующими основными параметрами: коэффициентом вытяжки, степенью деформации и скоростью истечения металла из очка матрицы.

При всех процессах прессования вид напряженного состояния в очаге деформации определяется тремя главными нормальными напряжениями сжатия и иногда (в основном, у контактных поверхностей) двумя главными нормальными напряжениями сжатия и одним нормальным напряжением растяжения.

Все процессы прессования протекают при значительной неравномерности деформаций. Прессование через многоканальную матрицу характеризуется большей неравномерностью деформаций по сравнению с прессованием через одноканальную матрицу без принципиальных отличий в прохождении процесса. Основным условием успешного применения прессования является правильный выбор температурно-скоростного режима с учетом свойств прессуемых металлов и сплавов.

В качестве основного инструмента при прессовании применяют матрицы, матрицедержатели, пуансоны, иглы, иглодержатели, пресс-шайбы, втулки (рубашки-приемники) и другой инструмент, работающий в исключительно тяжелых механических и температурных условиях. Вследствие этого для изготовления рабочего инструмента применяют специальные стали.

Матрицы для прессования прутков имеют одно или несколько отверстий. Последние применяют для прессования изделий небольшого поперечного сечения.

При прессовании труб для прошивки отверстия в заготовке применяют иглы, которые устанавливают в иглодержателе. Внутренний диаметр трубы определяется диаметром иглы. Процесс прессования трубы проходит в следующей последовательности. В начале прессования заготовка распрессовывается так, что заполняет контейнер, затем слиток прошивается иглой, причем выдавленная часть металла в момент распрессовки и прошивки и прошивки выходит из матрицы в виде прутка-пробки. Размер пробки зависит от размеров труб. Так, например, при прессовании труб диаметром более 250 мм масса пробки может достигать 40% массы заготовки. Для уменьшения размеров пробки используют следующий технологический прием. Вместо матрицы устанавливают глухую пробку, с которой прошивается слиток. При этом вытесняемый иглой металл идет на увеличение длины слитка. В конце хода пробку убирают и в матрице осуществляется окончательная допрошивка слитка. В конце операции прессования в контейнере остается часть металла, называемая прессостатком, величина которого определяется размером изделий, свойствами прессуемого металла или сплава, а также конструкцией пресса.

Стальные трубы рекомендуется прессовать при максимально высоких температурах и скоростях, так как в этом случае меньше вероятность образования трещин и расслоений. Поэтому скорости прессования стальных труб достигает 5 м/с и более. Стальные трубы прессуют со смазкой, так как при отсутствии смазки горячий металл заготовки налипает на инструмент, а в местах повышенного разогрева даже приваривается к нему. В качестве смазки рекомендуется применять графитовую пасту. При прессовании труб из низкопластичной стали используют металлическую смазку в виде тонкого слоя меди между вытекающим металлом и инструментом.

При прессовании труб из коррозионно-стойкой, жаропрочной, жаростойкой и других высоколегированных сталей и специальных сплавов в качестве смазки применяют стекло. Применение стекла в два-три раза уменьшает коэффициент трения по сравнению с графитовой смазкой. При этом стекло является еще и теплоизолирующим материалом.

Смазку, уменьшающую внешнее трение, следует наносить на инструмент (контейнер, матрицу) равномерным слоем, чтобы предотвратить тесное соприкосновение трущихся поверхностей и сгладить шероховатости на поверхности инструмента. Кроме этого, она должна выдерживать высокие температуру и усилия прессования, чтобы надежно разъединять трущиеся поверхности. Указанным требованиям полностью удовлетворяют лишь твердые смазки. Однако ими трудно покрыть поверхности контейнера и матрицы, поэтому порошкообразную твердую смазку связывают легковоспламеняющимися и быстро сгорающими жидкими веществами.

Силы трения можно заставить помогать прессованию металлов следующим образом.

Контейнер 1 имеет большую скорость перемещения, чем заготовка 2 (рис. 8). На поверхности заготовки создаются силы трения Т, совпадающие по направлению с силой Р. В результате контейнер будет увлекать за собой поверхностные слой заготовки. Такие силы трения называют активными, осуществляющими силовое воздействие. Таким образом, трение способствует выравниванию деформации по объему заготовки, уменьшается расход энергии, повышается качество получаемых профилей.

Для производства различных пустотелых профилей и труб освоено прессование со сваркой. Этот способ впервые предложен в России в 1898 году. Особенность способа состоит в том, что короткая игла крепится к корпусу самой матрицы на рассекателе.

Рисунок 8 — Схема прессования с активными силами трения: 1 Заготовка; 2 — контейнер Рисунок 9 — Схема прессования пустотелых профилей со сваркой В процессе прессования металл заготовки сплошного поперечного сечения на входе в канал матрицы разделяется гребнем рассекателя на два потока. Эти потоки, обтекая рассекатель, под большим давлением свариваются на выходе из канала матрицы.

Из описания, приведенного выше, следует, что процесс прессования обладает рядом существенных Преимуществ по сравнению с сопоставимым по изготавливаемому сортаменту изделий процессом прокатки:

— профили, поученные прессованием, имеют, как правило, более точные размеры и высокий класс чистоты поверхности;

— прессованием можно изготовить профили сложной формы, что прокаткой достичь не удается;

— переход от изготовления одного профиля к другому осуществляется за счет смены матрицы, та что уходит сравнительно немного времени;

— процесс прессования позволяет изготовить профили из мало-пластичных металлов.

3.3 Сопоставление различных схем прессования и полунепрерывное прессование

Прессованием называют процессы обработки металлов давлением, при которых деформация происходит под действием сжимающих сил. Все процессы прессования можно условно разбить на три группы. К первой группе относятся процессы, при которых весь объем заготовки деформируется одновременно; например штамповка и ковка всего изделия. Ко второй группе относятся процессы, при которых деформации подвергается лишь часть объема заготовки, при этом металл поступает в очаг деформации периодически. К этой группе также относится ковка и штамповка, но с одного конца заготовки. К третьей группе относятся процессы деформации части объема заготовки с непрерывным поступлением металла в очаг деформации — процессы выдавливания металла в щели разного профиля, т. е. прессование и волочение.

Производство прессованием профилей сложной формы и сечений часто оказывается более экономичным процессом, чем штамповка их с последующей механической обработкой. Это объясняется тем, что прессованием можно получить изделия требуемых размеров с малыми допусками и тем самым сократить до минимума последующую холодную обработку заготовки. Кроме этого, высокая пластичность деформируемых металлов при прессовании благодаря всестороннему сжатию позволяет использовать этот процесс как основной способ производства изделий из цветных металлов и сплавов — труб, прутков и профилей, отличающихся очень большим сортаментом и малыми сериями. В последнее время в связи с возникновением потребности в широком сортаменте профилей из малопластичных легированных сталей, а также из титана и его сплавов применение прессования значительно расширилось.

По сравнению с прокаткой труб, прутков и профилей прессование имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам следует отнести: трехосное сжатие, благодаря которому повышается пластичность металла и, следовательно, деформирование можно проводить с большими степенями деформации; быстрый переход с изготовления одного размера изделий и форм на другие; возможность получения сплошных и полых профилей самых сложных очертаний.

К недостаткам прессования относятся: более высокие потери на отходы; большая неравномерность механических свойств по длине и поперечному сечению изделия, сравнительно меньшие скорости истечения, а следовательно, и производительность.

3.4 Анализ возможностей производства кабеля по схеме гидропрессования

Это процесс прессования с прямым истечением, в котором воздействие на заготовку осуществляется непосредственно рабочей жидкостью высокого давления, непрерывно вводимой в контейнер (рисунок 10), или периодическим вводом в контейнер вместе с заготовкой достаточного количества жидкости. Технологической особенностью этого процесса является охват всей заготовки рабочей жидкостью и замена сухого трения прессуемого металла о стенки контейнера и канала матрицы трением жидкостным с соответствующим, часто очень большим, снижением давлений прессования. Такой процесс возможен и целесообразен в условиях, когда рабочая жидкость не снижает температуры металла. Процесс пока находится в стадии разработки.

Рисунок 10 — Принципиальная схема процесса гидропрессования: 1 — контейнер; 2 — рабочая жидкость; 3 — заготовка 4 — матрица; 5 — пресс-изделие; 6 — подвод рабочей жидкости в контейнер При гидропрессовании металл выдавливается из полости контейнера под непосредственным воздействием жидкости высокого давления. Высокое гидростатическое давление существенно повышает пластические свойства металлов и сплавов в процессе обработки, что очень важно для малопластичных сплавов. Благодаря практическому отсутствию сил трения между заготовкой и контейнером в области деформации, в этом процессе обеспечивается наибольшее по сравнению с другими способами прессования уменьшение технологической неравномерности деформации.

При гидропрессовании уменьшается удельное усилие из-за уменьшения влияния сил трения.

Основные схемы гидропрессования представлены на рисунке 11. При прессовании по обычной схеме изделие выдавливается под действием только жидкости высокого давления (рисунок 11, а), тогда как при гидромеханическом выдавливании на деформируемый металл воздействует дополнительное усилие либо со стороны заготовки, (рисунок 11, 6) либо со стороны изделия — при гидропрессовании с волочением (рисунок 11, в). При гидропрессовании с противодавлением на получаемое изделие дополнительно воздействует жидкость высокого давления (рисунке 11, г).

Рисунок 11 — Схемы гидропрессования Гидропрессованием можно деформировать без подогрева высоко-прочные сплавы с большими коэффициентами вытяжки. Освоено более 1000 типоразмеров гидропрессованных профилей с площадью поперечного сечения от 4 до 6000 см²и диаметром описанной окружности до 220 мм. Горячее гидропрессование имеет ряд преимуществ перед холодным, так как в случае достаточно стабильного протекания процесса, значительно снижается усилие прессования, что положительно сказывается на условиях работы инструмента. Необходимое высокое давление жидкости в контейнере создается либо под действием перемещения плунжера, либо за счет подачи жидкости высокого давления в контейнер извне Рисунок 12 — Основные схемы гидропрессования металлов: а, б — компрессорное гидрастатическое; в-д — бескопрессорное (прямое); е-гидромеханическое; ж — гидростатическое с противодавлением

На рисунке 12 представлены несколько разновидностей схем гидропрессования. Установки для компрессорного гидростатического прессования (смотреть на рисунке 12, а) не требуют применения подвижных уплотнений в контейнере и позволяют выдавливать заготовки сравнительно больших диаметров и длины. По такой схеме целесообразно прессовать как штучные прутковые заготовки, так и заготовки в виде проволоки, когда в контейнер подается намотанная на катушку проволочная заготовка и выдавливание осуществляется по схеме, представленной на рисунке 12, б, в в бухту небольшого диаметра. Такой способ дает возможность значительно сократить габариты контейнера и увеличить производительность процесса. Его целесообразно использовать при питании от одного или нескольких источников, при этом можно осуществлять их поочередное питание. Однако такие установки имеют большое количество соединительных узлов, требующих специальной системы уплотнений, толстостенных труб высокого давления.

Установки с вынесенным источником давления жидкости бывают компрессорного и мультипликаторного типа. Компрессорные установки надежно работают при давлении жидкости 0,8- 1 ГПа, а мультипликаторные — до 2−3 ГПа.

Широкое промышленное применение нашли установки прямого действия, в которых высокое давление создается непосредственно в контейнере за счет мультипликации рабочей среды. Такие установки имеют однои двухконтейнерное исполнение (рисунок 12, в, д), которые используются для прессования как сплошной (рисунок 12, г), так и полой заготовки (рисунок 12, д).

Установки прямого действия имеют ряд преимуществ: легко реализуются на обычных промышленных вертикальных и горизонтальных прессах; конструкции этих установок компактны и имеют мало узлов, требующих специальной системы уплотнения; а для процесса выдавливания расходуется мало жидкости высокого давления; установки обеспечивают высокую производительность благодаря повышенным скоростям истечения металла.

Недостатки установок прямого действия — необходимость больших перемещений плунжера при большой длине заготовок и увеличение размеров уплотнений в контейнере при увеличении его диаметра.

В последние годы разработан метод гидромеханического прессования (смотреть на рисунок 12, е), необходимым условием которого (с сохранением его до конца истечения) является некоторое преобладание торцевого давления пуансона над боковым давлением жидкости. Гидромеханическое прессование обеспечивает стабильное протекание процесса с любой заданной скоростью. Данная схема дает возможность на 10−20% уменьшить давление в контейнере.

Схема гидропрессования с противодавлением еще больше повышает ресурс пластичности деформируемых сплавов. Известна схема гидромеханического прессования, в которой на заготовку кроме давления рабочей жидкости действует дополнительное растягивающее усилие со стороны изделия, как при волочении. При получении изделий по этой схеме можно регулировать скорость перемещения заготовки изменением дополнительного усилия натяжения.

Горячее гидропрессование имеет ряд преимуществ перед холодным: значительно снижается усилие прессования, процесс идет достаточно стабильно.

Однако наиболее целесообразная область использования процесса гидропрессования — получение изделий из малопластичных и труднодеформируемых материалов.

Горячее гидропрессование позволяет не только снизить сопротивление деформации и повысить пластичность, но и создать более благоприятные условия работы инструмента.

На рисунке 13 приведены две сопоставимые индикаторные диаграммы, отражающие характер изменения усилия при прямом (а) и гидростатическом (б) прессованиях. Так как в начальный момент условия трения в пластической зоне отличны от условий трения в установившемся режиме, давление прессования повышается на 10−15%.