Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014
MANIPULATOR PE ŞINE FOLOSIT LA FORJAREA TITANULUI
CĂNCIU (Șerban) Mihaela1 Conducători ştiinţifici: Prof.dr.ing. Adriana COMĂNESCU, Lector.dr.ing. Florian Ion PETRESCU REZUMAT: Creșterea cererii pentru piese forjate de mari dimensiuni a condus la dezvoltarea și gasirea de noi solutii tehnice pentru proiectarea manipulatoarelor de forjare de mare tonaj. Pe lângă capacitatea mare de transport, manipulatoarele de forjare trebuie sa mai posede unele caracteristici de robot industrial, cum ar fi percepția forței, precizie și flexibilitate. Scopul lucrării este de a dezvolta un manipulator forjare de mare tonaj, cu caracteristici de robot prin intermediul combinației de metode din domeniul mecanică, hidraulică și control. Pentru forjarea lingourilor din titan şi aliaje de titan se folosesc manipulatoarele pe şine sau pe roţi. Manipulatoarele de forjare au devenit din ce în ce mai importante, deoarece s-au răspândit rapid în diverse arii industriale. Cele mai multe sunt de mare tonaj, având un gabarit foarte mare, iar cele mai utilizate funcţionează pe şine de cale ferată pentru a-şi mări stabilitatea şi precizia. CUVINTE CHEIE: manipulator de forjare, lingou, titan 1
INTRODUCERE
Forjarea este termenul pentru deformarea metalului folosind forţe de compresiune. Forjarea la rece este realizată la temperatura camerei sau la o temperatură apropiată de cea a camerei. Forjarea la căldură extremă se realizează la temperaturi înalte, care fac metalul mai uşor de deformat fără să se ajungă la ruperea (distrugerea) lui. Forjarea la cald se realizează la temperaturi între temperature camerei şi temperaturi înalte de forjare. Piesele forjate necesită prelucrare în continuare pentru a se obține piesa finită. Forjarea se face în două feluri: forjare în matriţă şi forjare liberă.Metalul prelucrat prin forjare este mai rezistent decât cel obţinut prin turnare sau cel din piesele prelucrate pe maşini unelte. Aceasta se datorează curgerii grăunţilor în urma forjării. Pe măsură ce metalul este presat (lovit), grăunţii se deformează şi urmăresc forma piesei, astfel încât aceştia îşi păstrează continuitatea în secţiune. Unele tehnologii moderne beneficiază de avantajul acestui raport mare între rezistenţă-sarcină. ________________________________________ 1 Specializarea: Modelarea şi Simularea Sistemelor Mecanice Mobile, Facultatea IMST; E-mail: mihaelaserban@yahoo.com;
1
2
FORJAREA TITANULUI
Pentru forjarea titanului se foloseşte procedeul la cald. Cei mai importanţi parametri ai procesului de încălzire sunt temperature de încălzire şi timpul menţinere. La o temperatură de încălzire ridicată (950 ºC) şi un timp de menţinere mare, plasticitatea semifabricatului este influenţată negativ, dar şi pozitiv, prin reducerea neomogenităţilor chimice. Creşterea deosebit de energică a grăunţilor se produce la temperaturi mai mari de 1000 ºC, iar la temperaturi şi mai ridicate se produce supraîncălzirea semifabricatelor, conducând la creşterea în exces a granulaţiei, la scăderea rezistenţei limitelor de grăunte şi la apariţia de discontinuităţi (rupturi) pe aceste limite. Semifabricatele din titan şi aliaje de titan, sunt considerate rebuturi. 2.1. Încălzirea în vederea forjării Semifabricatele destinate forjării se vor ridica din zona de recepţie cu ajutorul podului rulant, se vor transporta şi încărca în cuptorul de încălzire cu ajutorul manipulatorului/extractorului. Etapa de încălzire poate decurge în două moduri: - cuptorul este rece – în acest caz, semifabricatele se încarcă în cuptor, încălzirea efectuându-se împreună cu cuptorul. Pentru ca gradientul de temperatură între centrul şi periferia produsului să fie cât mai
MANIPULATOR PE ŞINE FOLOSIT LA FORJAREA TITANULUI redus la finalul încălzirii, este necesar ca la temperatura de 650-700 ºC să se efectueze un palier de încălzire. Durata acestui palier, va fi aleasă suficient de lungă, pentru a se obţine o omogenizare termică corespunzătoare. S-a ales această temperatură, deoarece peste ea oxidarea creşte după o curbă exponenţială. Următorul palier de menţinere se va face la temperatura de forjare. cuptorul este cald – semifabricate se vor încărca direct în cuptorul încălzit la temperatura de forjare, urmând ca la această temperatură să se facă menţinerea. Menţinerea la temperatura de forjare, va respecta criteriile: -menţinerea trebuie să fie suficient de lungă, pentru a se putea realiza omogenizarea termică a semifabricatului; -menţinerea trebuie să fie suficient de scurtă, pentru a preîntâmpina creşterea granulaţiei şi pierderile nejustificate de material prin ardere (oxidare). Între aceste două criterii contradictorii trebuie găsit un optim. Intervalele de temperatură pentru principalele aliaje din titan sunt prezentate în Tabelul 1.
Din figura 1 se observă că viteza de încălzire până la primul palier (650 ºC) este de 3,6 ºC/min., menţinerea la 650 ºC este de 4 h, viteza de încălzire până la 1150 ºC este de 2,38 ºC/min., iar menţinerea la 1150 ºC este de 4,5 h. În cazul în care încălzirea se efectuează cu cuptorul cald, lingoul din Ti6Al4V, se introduce în cuptor la temperatura de 1150 ºC, după care se face menţinerea de cca. 5,5-6 h. Precauţii: 1) lingourile nu se vor aşeza direct pe vatra cuptorului, ci pe postamenţi, cu scopul de a asigura o încălzire cât mai uniformă; 2) diagrama de încălzire trebuie respectată cu stricteţe, pentru a elimina problemele menţionate mai sus; 3) arderea combustibilului gazos trebuie să se efectueze cu un randament corespunzător (injectoarele trebuie corect reglate) pentru a preveni impurificarea cu gaze a lingoului.
Tabelul 1
Aliaj
T începere forjare [°C]
T sfârşit forjare [°C]
Titan comercial pur Grad 1-4 (Cf. ASTM)
980
815
Ti5Al2,5Sn
1150
955
Ti8Al1Mo1V
1175
1010
Ti8Mn
980
815
Ti6Al4V
1150
925
Ti7Al4Mo
1175
955
Ti13V11Cr3A l
1175
925
Din Tabelul 1 se observă că intervalul de forjare pentru cel mai important aliaj de titan (Ti6Al4V) este de cca. 200 ºC. În figura 1 se prezintă diagrama de încălzire pentru lingourile din Ti6Al4V, cu diametrul de 600 mm, încălzit după prima variantă (cu cuptor rece). 2
2.2. Manipularea semifabricatelor încălzite După efectuarea încălzirii, şi pe tot parcursul operaţiei de forjare, semifabricate din titan vor fi manipulate cu atenţie, deoarece există pericolul impurificării materialului. Pe timpul manipulării se vor respecta următoarele reguli: timpul de deschidere a cuptorului necesar extragerii semifabricatului din titan, trebuie redus la minim pentru a evita consumul inutil de energie; timpul de deplasare de la cuptor la masa rotativă a presei de 1600 tf, trebuie redus la minim, pentru a evita pierderea de căldură a semifabricatului. trebuie evitată lăsarea semifabricatului cald pe pardoseala secţiei, deoarece acesta se poate
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 impurifica. În cazuri accidentale, timpul de staţionare pe pardoseală, trebuie redus la minim. 2.3. Forjarea β Scopul acestei operaţii este pe de o parte reducerea secţiunii transversale a semifabricatelor, iar pe de altă parte, distrugerea structurii de turnare – în cazul lingourilor şi transformarea acesteia într- o structură nouă (de deformare) cu proprietăţi îmbunătăţite. Reducerea secţiunii transversale, se face concomitent cu creşterea lungimii semifabricatului. Datorită faptului că la finalul forjării beta, nu este impusă obţinerea de proprietăţi mecanice, iar deformarea plastică se desfăşoară în condiţii optime (raportul dintre plasticitate şi rezistenţă la deformare este ridicat) este necesar ca în această etapă, materialul să suporte un grad de deformare total, ridicat. Acest aspect are ca rezultat, reducerea la maximum a forjării alfa + beta, forjare care datorită plasticităţii reduse şi a rezistenţei la deformare mari a titanului în acest domeniu, este mai pretenţioasă. Înainte de începerea forjării, se montează pe presa hidraulică de 1600 tf nicovalele corespunzătoare şi se încălzesc la o temperatură situată între 400... 450 ºC, fie prin menţinerea unui material încălzit între nicovale, fie prin încălzirea acestora cu ajutorul unui arzător. După efectuarea corespunzătoare a încălzirii, lingoul cu temperatura egală cu temperatura de început de forjare, este extras din cuptorul de încălzire cu ajutorul extractorului şi depus pe masa rotativă. Masa rotativă roteşte lingoul, poziţionându-l pe axa manipulatorului. Din această poziţie este preluat de manipulator şi introdus între nicovale. Forjarea se va desfăşura numai dinspre manipulator spre capul lingoului. După efectuarea unei treceri, manipulatorul se retrage, depune semifabricatul pe masa rotativă, aceasta îl roteşte într-o poziţie convenabilă, este preluat de extractor şi introdus în cuptor pentru reîncălzire. Reîncălzirea are drept scop aducerea semifabricatului la temperatura de început de forjare. Durata încălzirii este de cca. 30...40 min. Mai jos este prezentat modul în care decurge forjarea beta pentru un lingou din Ti6Al4V, Ø = 580 mm, L=3100 mm, G= 3680 Kg. Forjarea β va decurge până la pătrat cu latura de 210 mm, după care se va trece la forjarea α + β. Forjarea α se va realiza în opt treceri sucsesive, trecându-se alternativ de la octogon la pătrat în secţiunea barei, cu reâncălzire de fiecare dată la 3
1150 °C, cu timpi de menţinere cuprinşi între 20 şi 35 minute. 2.4. Controlul calităţii După finalizarea forjării β, semifabricatele rezultate se vor supune controlului de calitate. În timpul acestei operaţii, se vor depista defectele de suprafaţă, se vor marca, iar semifabricatele cu defecte vor fi trimise la eliminarea acestora. În cazul în care suprafaţa semifabricatului nu prezintă defecte de suprafaţă, acesta va fi trimis la încălzire în vederea forjării α + β. 2.5. Eliminarea defectelor de suprafaţă Se realizează prin polizare locală. Semifabricatele, în stare semicaldă, vor fi transportate cu ajutorul podului rulant, la maşina de polizat, unde prin polizare, defectele de suprafaţă vor fi eliminate. Zona polizată trebuie să respecte relaţia următoare: d > 2h, unde: d – reprezintă diametrul suprafeţei polizate h – adâncimea de polizare Nerespectarea acestei relaţii conduce la realizarea de împachetări în cursul operaţiilor ulterioare de forjare. Polizarea necorespunzătoare, în urma căreia suprafaţa semifabricatelor prezintă amorse pentru fisuri, conduce la producerea de fisuri/crăpături în cadrul forjării α + β. 2.6. Încălzirea în vederea forjării α + β În cazul procesului de încălzire a semifabricatelor din titan şi aliaje din titan în vederea forjării α + β, semifabricatele sunt transportate din zona de înlăturare a defectelor de suprafaţă cu manipulatorul mobil şi încărcate în cuptorul cald la temperatura de început de forjare. Acestea sunt menţinute la această temperatură un timp suficient de lung pentru a putea asigura omogenizarea temperaturii în întreaga masă a semifabricatului. Precauţii: - o încălzire neuniformă conduce la un comportament necorespunzător în cadrul etapei de forjare care urmează. - o depăşire a temperaturii stabilite, conduce la obţinerea unei structuri necorespunzătoare şi implicit la rebutarea materialului. - o încălzire la o temperatură inferioara celei stabilite, conduce la înrăutăţirea condiţiilor de deformare şi în consecinţă la apariţia de fisuri şi crăpături. Pentru a preîntâmpina aceste probleme, pe parcursul încălzirii, se va monitoriza temperatura materialului cu ajutorul pirometrului infrared. Temperaturile de forjare recomandate pentru această etapă, sunt prezentate în
MANIPULATOR PE ŞINE FOLOSIT LA FORJAREA TITANULUI Tabelul 2
Aliaj
T încep ut forjare, °C
T sfârşit forjare, °C
Titan comercial pur Grad1-4 (cf. ASTM)
815
760
Ti5Al2,5Sn
1065
950
Ti8Al1Mo1V
1040
920
Ti8Mn
900
705
Ti6Al4V
955
850
Ti7Al4Mo
1010
860
2.7. Forjarea α + β Această etapă de forjare, este cea mai importantă, deoarece la finalul ei, se obţin produsele finite, care trebuie să aibă proprietăţile mecanice şi microstructura, în conformitate cu cerinţele. Titanul şi aliajele sale, în acest domeniu de temperatură, se deformează greu, principala problemă fiind aceea a apariţiei fisurilor exterioare. Factorii care pot conduce la înrăutăţirea proprietăţilor de deformare a semifabricatelor din titan, cum ar fi: neomogenităţile termice, neomogenităţile structurale, fisuri deja existente, etc., trebuie reduşi la maxim. Folosirea unui grad de deformare redus, conduce la obţinerea unei microstructuri necorespunzătoare şi implicit la rebutarea materialului. Pentru a reduce la maxim aceste probleme se iau următoarele măsuri: dacă pe parcursul forjării α + β semifabricatul prezintă fisuri, va fi supus imediat operaţiei de polizare locală, deoarece fisura existentă, în timpul forjării, se va dezvolta rapid, ducând la rebutarea materialului. Neomogenităţile termice trebuie depistate prin măsurători. Măsurarea temperaturii se va face prin intermediul pirometrului infrared, iar dacă semifabricatul va prezenta gradient de temperatură pe suprafaţa lui, se va reintroduce în cuptor şi se va reîncălzi. Pentru a preîntâmpina problemele cauzate de forjarea incorectă, se impune forjarea la un grad de deformare superior gradului critic de deformare caracteristic aliajului. Pentru aliajul Ti6Al4V gradul critic de deformare este de 1,12. Având în vedere 4
aceasta, gradul de deformare impus pe trecere, trebuie să fie mai mare ca 1,2. Forjarea α + β a barelor din Ti6Al4V, cu secţiunea pătrat, cu latura de 210 mm, se va face prin realizarea a cinci treceri succesive a barelor prin presa de forjare secţiunile alternând de la pătrat la octogon şi în final la rotund cu diametrul Ø = 126 mm. După terminarea forjării α + β, semifabricatele se vor transporta cu ajutorul podului rulant în zona de răcire, unde vor fi aşezate pe patul de răcire şi menţinute până când temperatura acestora ajunge la temperatura camerei. 2.8. Tratamentul termic Ţaglele răcite se vor lua cu ajutorul podului rulant de pe patul de răcire şi vor fi încărcate în cuptorul de tratament termic. Tratamentul termic uzual pentru ţagle din titan şi aliaje de titan, îl reprezintă o recoacere de recristalizare. În urma acestui tratament termic, structura rezultată la forjare, se va transforma într-o structură nouă, omogenizată, care trebuie să asigure izotropia proprietăţilor mecanice. În Tabelul 3 sunt prezentaţi parametrii recoacerii pentru principalele aliaje din titan.
Tabelul 3
T, °C
Timp menţinere h
Răcire
650760
0,10-2
aer
Ti5Al2,5Sn
720845
0,16-4
aer
Ti8Al1Mo1 V
790
1-8
În aer sau în cuptor
Ti6Al4V
705790
1-4
În aer sau în cuptor
Ti7Al4Mo
705790
1-8
aer
Aliaj
Titan comercia l pur grad 1-4 (cf. ASTM)
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 În figura 2 se prezintă o diagramă de recoacere pentru ţagle din aliajul Ti6Al4V, cu diametrul de 126 mm.
Fig.2 Recoacerea aplicată pentru aliajul Ti6Al4V Din figura 2 se observă că viteza de încălzire este relativ redusă, materialul încălzindu-se o dată cu cuptorul, menţinerea se face 1,5 h la temperatura de 710 °C, urmată de răcire în aer. 2.9. Cojire şi debitare capete Ţaglele răcite se vor transporta cu ajutorul podului rulant de pe patul de răcire, în zona de debitare. Debitarea capetelor se va efectua prin tăiere pe fierăstrăul cu bandă, răcit cu emulsie. Tot la această etapă se vor debita probele necesare certificării. Cojirea se va face prin strunjire exterioară. Pe parcursul operaţiilor de cojire, şpanul rezultat la prima trecere (şpan nerecirculabil) se va colecta în recipienţi speciali şi nu va fi amestecat cu şpanul rezultat la trecerile următoare (şpan recirculabil). Ultima trecere care se va efectua, va fi o trecere de finisare, care trebuie să asigure toleranţele şi rugozitatea specificate. 2.10. Controlul US, teste mecanice, microstructură, control dimensional Controlul US Barele cojite sunt transportate la maşina automată de control US. Controlul vizează determinarea defectelor interne (fisuri, discontinuităţi, incluziuni metalice/nemetalice) care compromit calitatea produsului. Defectele interne depistate vor fi marcate iar ţaglele cu defecte vor fi supuse operaţiilor de debitare. Debitarea se va face aşa încât zona periclitată să fie înlăturată. Teste mecanice 5
Probele debitate la punctul 2.9, vor fi prelucrate în conformitate cu prevederile standardului ASTM E 8, şi supuse testelor de tracţiune. Se vor determina următoarele mărimi: rezistenţa la rupere; limita de curgere; alungirea; gâtuirea. Testele se vor efectua la temperatura camerei, respectându-se prevederile standardului ASTM E 8. Microstructură Se vor preleva probe din centrul, jumătatea şi periferia ţaglei, se vor şlefui şi analiza din punct de vedere al microstructurii. Microstructura obţinută nu trebuie să prezinte variaţii majore de granulaţie. Control dimensional Se vor controla următoarele: diametrul (dimensiunile) ţaglelor; abaterea de la ovalitate; lungimea; abaterea de la rectiliniaritate; Toate cele trei teste/controale prezentate vor genera buletine/certificate care vor sta la baza certificării produsului. 2.11. Marcare, ambalare Ţaglele se vor transporta în zona de marcare/ambalare, unde se vor marca fie prin poansonare, fie cu tuş, după care vor fi ambalate. 3
MANIPULATOR DE FORJARE PE ȘINE GLAMA, TIP GSM – 60/120 WP
3.1. Introducere Încă din anul 1961 firma GLAMA se afla în industria de producere a manipulatoarelor de forjare pe şine pentru industria de forjare liberă. Proiectele au fost continuu îmbunătăţite pentru ca astăzi să vorbim despre un utilaj bazat pe experienţă, economic şi care nu cauzează probleme pentru industria de forjă. Manipulatoarele de forjare GLAMA indeplinesc toate cerintele pentru utilajele de productie moderne. Manipulatoarele au fost special conepute pentru presele de forjare cu actiune rapida si pentru procesele respective, toate aceste lucruri fiind necesare pentru a se putea integra cu o presa de forjare si pentru a se automatiza procesul de forjare precum si pentru ca aceasta procedura sa poata fi controlata cu ajutorul unui sistem de clacul. În fig.3 se prezintă un manipulator de forjare pe şine tip GLAMA.
MANIPULATOR PE ŞINE FOLOSIT LA FORJAREA TITANULUI
Fig.3 Manipulator de forjare pe şine tip GLAMA
3.2. Uzina de putere a manipulatorului (Dispozitivul acumulator)
pentru personalul de întreţinere în vederea servisării. Principala folosire a pachetului de putere al manipulatorului la proiectul manipulatorului pe sine pentru forjare al GLAMA rezultă în: - cerere pentru energie redusă semnificativ şi astfel costuri de folosire reduse; - componente motoare de mici dimensiuni (motoare electrice şi pompe) şi astfel costuri de operare şi întreţinere scăzute; - acces rapid către toate componentele; - flux de producţie neîntrerupt în cazul defecţiunii uneia dintre pompele motoare. 3.3. Separarea masei Trenul de rulare este conectat direct către cleştele de decojire (dispozitivul de rotire a cleştelui şi cleştele) şi impinge partea rulantă pentru a se asigura cea mai bună precizie a încrementării paşilor de rulare la posibilităţi maxime de acceleraţie şi la un consum de energie redus. Prin această separare a maselor (de ex. cleştii de decojire şi unitatea de deplasare sunt o singură unitate actionata direct in timp ce sasiul principal al manipulatorului impreuna cu legatura si pachetele de putere urmeaza in mod automat dispunand de acceleratie si viteza reduse). Aceasta separare a maselor poate fi folosita atat in modul automat dar si in modul manual si trebuie folosita de fiecare data in timpul ,,forjarii normale’’. Pentru manipularea in timpul refularii discurilor si inelelor aceasta separare poate fi suspendata in mod hydraulic (vezi fig. 5).
Fig.4 Uzina de putere a manipulatorului
Prin folosirea unui dispozitiv central de acumulare, puterea totală consumată se reduce deoarece vârfurile sunt acoperite de aceşti acumulatori. Acest lucru se traduce prin componente de dimensiuni mai mici din punct de vedere al capacităţii (motoare electrice, pompe) şi, astfel, prin costuri de întreţinere mai mici. Pachetul de motorizare constă în câteva pompe motoare care sunt aranjate în sistem repetitiv de 2,3,4 sau mai multe unităţi identice. Astfel, manipulatorul se poate opera în mod continuu la capacitate aproape completă chiar şi dacă una dintre unităţi este oprită în caz de avarie a acesteia. Astfel, unitatea defectă poate fi înlocuită în timpul turei de întreţinere fără ca producţia să fie oprită. Pachetul de putere hidraulică complet este izolat fonic şi toate componentele sunt finisate şi grupate sistematic, permiţându-se accesul rapid 6
Fig.5. Separarea masei Folosirea acestei separări a maselor la manipulatorul pe şine pentru forjare GLAMA rezultă în: - greutate minima; - componente motoare de mici dimensiuni, costuri scăzute de întreţinere şi consum scăzut de energie
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 - cerintele pentru controlul electric al modulului motor sunt simplificate. 3.4. Buna sincronizare a angrenajelor modulului de rulare GLAMA furnizeaza singurele manipulatoare pe sine pentru forjare care dispun de buna sincronizare a angrenajelor modulului de rulare. Motoare hidraulice pretensionate in mod hidraulic care folosesc angrenaje planetare si pinioanele respective ofera o functie de deplasare bine sincronizata. Acest mod se traduce in pasi de deplasare bine raportati la suprafata de rulare avand o precizie maxima, cu atat mai mult, uzura normala dintre pinionul motor si bolturile cremalierei este compensata in mod constant. Folosirea unei astfel de sincronizari fara joc la utilizarea manipulatoarelor pe sine GLAMA duce la urmatoarele avantaje: cursa pozitionata exact in referinta fata de trenul de rulare cu pasi avand precizia maxima uzura neutra intre pinioane si bolturile cremalierei fiind compensata in mod continuu nu exista socuri in timpul cursei si astfel nu sunt emisii fonice -durata de viata a motoarelor hidraulice este crescuta deoarece nu exista operatiune non-rezerva -nu exista cerinte speciale pentru controlul electric, functia motoare fiind realizata doar de o singura valva principala. 3.5. Impulsul vertical liniar al clestilor Impulsul vertical liniar al clestilor se atince prin folosirea unul sistem de leviere special pentru a se evita miscarea neutra a levierului de ridicare care trebuie sa fie compemnsata de un program de calcul aditional, un aspect important cand se foloseste presa automata urmata controlul impulsului clestilor manipulatorului, in cazul penetrarii pe mare adancime din partea presei precum si in timpul operarii duale cu un al doilea manipulator. Folosirea impulsului vertical al clestilor la manipulatorul de forjare pe sine GLAMA rezulta in: adevarata detectare a alungirii in timpul forjarii operarea dubla impreuna cu miscari sincronizate ale manipulatorului miscare de ridicare integrata simplificata, sincronizata cu presa fara eificultati intampinate la controlul electronic. 3.6. 7
Inclinarea paralela si sub unghi a clestilor
Pentru lingouri de forjare cu profil patrat si lingouri cu forma rectangulara sau pentru operarea cu extensii ale bratelor este esentiala folosirea unui sistem de schimbare laterala in paralel a clestilor de decojire. Cu atat mai mult, daca trebuie sa se forjeze discuri, inele sau mansoane si placi este necesara extensia bratelor. Proiectul GLAMA combina ambele cerinte fara caracteristici de proiectare aditionale prin folosirea sistemelor individuale de schimbare laterala, unul la legatura frontala si celalalt la suspensia anterioara a clestilor pentru coaja. Folosirea schimbarii paralele si sub unghi a proiectului GLAMA conduce la: - flexibilitate crescuta a capacitatii de forjare. - posibilitatea de contracarare in cazul unei curgeri neasteptate a materialului. 3.7 Clestii si decojirea clestilor Clestii de decojire Glama sunt realizati din elemente individualizate precum clestii in sine, cilindrul acestora si mecanismul de rotire care sunt asamblate impreuna pentru a crea dispozitivul. Acest sistem nu necesita o cutie de decojire si astfel toate componentele sunt accesibile in mod rapid pentru orice fel de interventie si pe langa aceasta greutatea este mai mica decat in cazul unui proiect conventional care dispune de cutie pentru decojire. Falcile clestilor sunt echipate cu un sistem rapid interschimbabil. Levierul clestilor este realizat din otel forjat rezistent la temperatura ridicata. - marirea suprafetei de lucru, de exemplu, pentru placi forjate Folosirea clestilor de decojre GLAMA la manipulatorul de forjare pe sine conduce la urmatoarele beneficii: - greutate redusa a grupului de sub-ansamble - accesibilitate facila in vederea intretinerii - forte reduse de indoire - timp scurtat pentru schimbarea falcilor - flexibilitate crescuta a sectiunii gamei de prindere prin folosirea levierelor forjate a clestilor in loc de levierele turnate. 3.8. Motoare hidraulice dispunand de comutarea de volum Manipulatorul de forjare pe sine marca GLAMA va fi echipat cu un piston radial hidraulic iar motoarele integrate care dispun de volum selectabil pentru functia motrica precum si pentru functia de rotire a clestilor. In modul manual, sleectarea gemelor de viteza se va face manual. In modul automat, selectarea gamelor de viteza va fi automatizata.
MANIPULATOR PE ŞINE FOLOSIT LA FORJAREA TITANULUI Folosirea motoarelor hidraulice cu o comutare de volum lamanipulatorul pe sine pentru forjare GLAMA are urmatoarele caracteristici: - cuplu ridicat respectiv o acceleratie crescuta pentru o rotire/cursa mica. - cuplu scazut cu viteza crescuta pentru pasi de rotatie mai mari - cererea totala energetica este redusa - acumularea redusa a caldurii interne din sistemul hydraulic 3.9. Sistem rigid pentru cremaliera si pinion Pentru a avea un sistem de rulare raspunzator pentru cursa limitata, care trebuie sa nu interfere cu mediul halei de forjare, GLAMA foloseste un sistem rigid de cremaliera-pinion care se aseaza pe sina din podea a manipulatorului. Folosirea trenului de rulare rigid si a sistemului cu pinion la manipulatorul de forjare glama rezulta in: -nu exista sensibilitate la murdarie -schimbarea rapida a bolturilor -schimbarea rapida a pinioanelor si a segmentilor cremalierei -nu exista elongatie precum in cazul sistemelor care folosesc lant -durata de viață lungă. 3.10.Extinderea bratelor Pentru a permite manipulatorului sa participe la forjarea de inele, discuri si placi, clestii principali pot fi atasati impreuna cu un set de brate extinse. Aceste brate extinse vor fi atasate clestilor principali, indepartandu-se falcile. Aceste brate extinse pot fi echipate fie cu varfuri de prindere dupa cum se vede mai jos, fie cu falci mai mici la capatul varfului. Avantajele de baza ale extinderii bratelor in manipulatorul de forjare pe sine al GLAMA sunt: posibilitatea de a forja inele, discuri si placi in game mai mari timp redus semnificativ in vederea atasarii bratelor extinse. 3.11. Optimizarea masei In vederea atingerii unei relatii optimizate intre greutatea utilajului si rezistenta corespunzatoare a componentelor, in special a celor care sunt in miscare constanta, GLAMA foloseste analiza FEM pentru a optimiza proiectarea tuturor componentelor majore ale manipulatorului. 8
Folosirea Analizei FEM in proiectarea Manipulatorului pe sine pentru forjare GLAMA consta in: optimizarea greutatii utilajului, astfel reducandu-se energia consumata. Este nevoie de mai putina energie si costurile operationale se reduc. Se elimina zonele suprasolicitate chiar daca masina este puternic incarcata. Astfel fiabilitatea Utilajului impreuna cu durata de viata a acestuia cresc. . Resetarea automata si controlul continuu al pozitionarii Este o cerere de baza pentru orice manipulator pe sine pentru forjare si grija controlului electric astfel incat axele principala sa se stabilizeze pe lingou in timpul forjarii automate sau semi-automate pentru a se integra forjarea cu presa apartinatoare. Acest lucru se va face in principal de catre axa principala ce are pozitie controlata impreuna cu controlul de bataie al presei. Suprasarcinile, daca exista, cauzate de operatia de forjare se vor compensa in mod automat de sistemul hidraulic si electric. Folosirea resetarii automate si pozitionarii continue in Manipulaotrul pe sine destinat forjarii de la Glama conduce la: lingoul este pozitionat in mod stabil in timpul operatiei de forjare iar curgerea de material urmeaza cerintele forjarii libere. se compenseaza in mod automat alungirea lingoului penetrarea presei se compenseaza in mod automat se evita flambajul pe cat posibil -produse forjate de mare calitate obtinute in mod rapid si précis 3.12. Caracteristici de proiectare Sistem motric cu acumulator central pasi cu actiune rapida prin separarea corpurilor conectare inchisa a clestilor catre angrenajul de rulare pentru a se asigura o cursa precisa raportata la podea si ca ea sa fie controlata tren de rulare fara joc schimbare paralela si sub unghi a clestilor bataie liniara verticala a clestilor in directie atat orizontala dar si verticala suspendare eficienta a clestilor in directie verticala si orizontala
Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014 grupare eficienta a componentelor, prin urmare, intretinere facila Intregul proces de forjare poate fi impartit in trei stagii: inainte de presare, in presare si dupa presare. Pe perioada de pre-presare si dupa presare, operatiunile realizate de manipulator sunt la fel: clestele ia piesa de prelucrare si apoi o plaseaza pe nicovala. Pe perioada presarii manipulatorul respecta miscarile necesare deformarii piesei in lucru. Strategia de control a manipulatorului in cele trei conditii este discutata dupa cum urmeaza: a) Apuca piesa de lucru. In primul rand, pozitia orizontala si verticala a clestelui este ajustata. Dupa aceea piesa de lucru este ridicata de cilindrii de ridicare cu o forta constanta de ridicare, care este mai mare decat masa totala a piesei in lucru, cleste si suportul lui. Cand inaltimea asteptata (dorita) este depasita, eroarea de pozitie va fi trimisa inapoi la sistemul servo de valori constante al cilindrilor de ridicare. Acest raport negativ al pozitiilor face forta de ridicare mai mica decat valoarea setata initial. In echilibru, forta actuala de ridicare este egala cu greutatea totatla a piesei in lucru, cleste si suportul lui, si eroarea egalarii fortei este eroarea pozitiei inmultita cu un coeficient. b) Plasarea piesei in lucru. Piesa in lucru este introdusa in forja de catre manipulator, chiar pe nicovala. Apoi scazand valuarea setata pentru inaltime, echilibrul dintre forta si pozitia de ridicare este deposit (stricat). Forta de ridicare actuala este mai mica decat masa totala a piesei in lucru, cleste si suportul lui. Deci piesa in lucru se misca in jos cu clestele. Viteza decenta a piesei in lucru este determinata printr-o rata de succes a valorii de inaltime setate. Cand piesa in lucru atinge nicovala, presiunea in cilindrii de ridicare se va schimba cu mult datorita piesei in lucru care este sustinuta de nicovala. La acest moment, daca tinem valoarea de inaltime constanta, atunci forta si pozitia cilindrilor de ridicare tind spre un nou echilibru. c) Conform cu piesa in lucru. In timpul forjarii, cand piesa in lucru este presata de ciocan, iar susplusul de forta este aplicat pe cleste in timpul deformarii piesei in lucru. Forta determina o crestere de sarcina in cilindrii de ridicare. Intre timp, sistemul servo incearca sa mentina constanta forta de ridicare. Ca rezultat, clestele se misca in jos cu piesa in lucru si alica forta minima de reactiune pe piesa in lucru deformata. Cand presarea/forjarea s-a terminat, partea de sus/ ciocanul se ridica si forta externa exercitata asupra clestelui dispare. Piesa in lucru este ridicata deasupra pozitiei initiale cu o 9
forta de ridicare constanta. Apoi manipulatorul cara piesa in lucru la alimentare. Urmatoarea presare este gata. 4
CONCLUZII
Se propune un nou manipulator de forjare hidraulic, cu mecanism nou proiectat, strategie de control inteligenta, si metoda de control hidraulic îmbunătătita. Miscarea majoră a mecanismului este decuplata, astfel controlul manipulatorului de forjare este mult simplificat. Piese pot fi ridicate si coborate cu usurinta cu perceptia fortei. Mai mult decât atât, manipulatorul de forjare se poate conforma cu fortele exterioare exercitate pe acesta prin piesa de prelucrat în timpul pasilor de forjare. Acestea sunt bazate pe noua metoda de control a presiunii si o metodă de control hibrid presiune/pozitie a servosistemului hidraulic prezentat în această lucrare. Toate metodele de control hidraulic si strategiile de control inteligent au fost verificate de experimental pe manipulatorul de forjare prototip. Pentru forjarea lingourilor din titan şi aliaje de titan se folosesc manipulatoarele pe şine sau pe roţi. Manipulatoarele de forjare au devenit din ce în ce mai importante, deoarece s-au răspândit rapid în diverse arii industriale. Cele mai multe sunt de mare tonaj, având un gabarit foarte mare, iar cele mai utilizate funcţionează pe şine de cale ferată pentru a-şi mări stabilitatea şi precizia. Aceasta lucrare ofera fundamente teoretice si practice pentru dezvoltarea în continuare a manipulatoarelor de forjare de mare tonaj inteligente. Forjarea este termenul pentru deformarea metalului folosind forţe de compresiune. Forjarea la rece este realizată la temperatura camerei sau la o temperatură apropiată de cea a camerei. Forjarea la căldură extremă se realizează la temperaturi înalte, care fac metalul mai uşor de deformat fără să se ajungă la ruperea (distrugerea) lui. Forjarea la cald se realizează la temperaturi între temperature camerei şi temperaturi înalte de forjare. Piesele forjate necesită prelucrare în continuare pentru a se obține piesa finită. Forjarea se face în două feluri: forjare în matriţă şi forjare liberă.Metalul prelucrat prin forjare este mai rezistent decât cel obţinut prin turnare sau cel din piesele prelucrate pe maşini unelte. Aceasta se datorează curgerii grăunţilor în urma forjării. Pe măsură ce metalul este presat (lovit), grăunţii se deformează şi urmăresc forma piesei, astfel încât aceştia îşi păstrează continuitatea în secţiune. Unele
MANIPULATOR PE ŞINE FOLOSIT LA FORJAREA TITANULUI tehnologii moderne beneficiază de avantajul acestui raport mare între rezistenţă-sarcină. 5
BIBLIOGRAFIE
[1] E. Appleton, W. B. Heginbotham, and D. Law, “Open die forging with industrial robots.,” Industrial Robot, vol. 6, no. 4, pp. 191–194, 1979. [2] “Attaining practicality of freely programmable control of an open die forging press and forging manipulator by a computer,” Ishikawajima-Harima Engineering Review, vol. 17, no. 6, pp. 599–606, 1997. [3] R. A. Ridgeway, “Microprocessor utilization in hydraulic open-die forge press control,” IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, vol. 22, no. 3, pp. 307–309, 1975. [4] V. Vitsche., “A programmable manipulator for closed die forging,” in Proceedings of the 9th International Drop Forging Convention, Kyoto, Japan, 1977. [5] W. B. Heginbotham, A. K. Sengupta, and E. Appleton,“An ASEA robot as an open-die forging manipulator,” in Proceedings of the Second IFAC/IFIP Symposium, pp. 183–193, Stuttgart, Germany, 1979. [6] A. K. Sengupta, E. Appleton, and W. B. Heginbotham, “Ring forging with an industrial robot,” in Proceedings of the 10th International Symposium on Industrial Robots, pp. 29–42, Milan, Italy, 1980. [7] K. W. Lilly and A. S. Melligeri, “Dynamic simulation and neural network compliance control of an intelligent forging center,” Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 17, no. 1, pp. 81–99, 1996. [8] A. S.Melligeri and K.W. Lilly, “Application of neural networks in compliance control of an integrated robot/forge processing center,” in Advances in Manufacturing Systems: Design, Modeling and Analysis, pp. 445–450, Elsevier, New York, NY, USA, 1993. [9] M. Baldassi, “Open die forging presses with manipulators,” Forging, vol. 14, no. 5, pp. 16–18, 2003. [10] S. Sheikhi, “Latest developments in the field of open-die forging in Germany,” Stahl und Eisen, vol. 129, no. 4, pp. 33–39, 2009. [11] W. R. Wang, K. Zhao, Z. Q. Lin, and H. Wang, “Evaluating interactions between the heavy forging process and the assisting manipulator combining FEM simulation and kinematics analysis,” International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 48, no. 5–8, pp. 481–491, 2010. [12] C. Y. Yan, F. Gao, and Y. Zhang, “Kinematic modeling of a serial-parallel forging manipulator 10
with application to heavydutymanipulations,” Mechanics Based Design of Structures and Machines, vol. 38, no. 1, pp. 105–129, 2010. [13] G. Li, W. J. Sun, and D. S. Liu, “Dynamic load analysis of forging manipulator during the whole forging stroke,” in Proceedings of the 3rd International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics, pp. 1616–1621, 2009. [14] C. Y. Yan and F. Gao, “Dynamic stability analysis of a novel forging manipulator,” in Proceedings of the 1st International Conference Intelligent Robotics and Applications (ICIRA ’08), pp. 449–458,Wuhan ,China, October 2008. [15] D. S. Liu and G. Li, “Dynamic behavior of the forging manipulator under the press motions,” Key Engineering Materials, vol. 419-420, pp. 417–420, 2010. [16] G. L. Chen, H. Wang, K. Zhao, and Z. Q. Lin, “Modular calculation of the Jacobian matrix and its application to the performance analyses of a forging robot,” Advanced Robotics, vol. 23, no. 10, pp. 1261–1279, 2009. [17] Prof.dr.ing. Eugen Cazimirovici, dr. Ing. Marcel Valeriu Suciu, Laminarea materialelor metalice speciale. [18] WALTER Westermeyer. Process and apparatus for operating a press unit: US, 5454262[P]. 19951003. [19] EBERHARD Werner, WILHELM Krieger. Manipulator for forging machines, for example multipleram forging machines: US, 5218855[P]. 19930615. [20] Comănescu Adr., Comănescu D., Neagoe A., Fractals models for human body systems simulation. Journal of Biomechanics, 2006, Vol. 39, Suppl. 1, p S431. [21] Drăgan, I., Ilca, I., Badea, S., Cazimirovici, E., (1979), Tehnologia deformărilor plastice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti. [22] Ocnărescu C., The Kinematic and Dynamics Parameters Monitoring of Didactic Serial Manipulator, Proceedings of International Conference of Advanced Manufacturing Technologies, ICAMaT 2007, Sibiu. [23] PETER Schubeter, KAARST. Workpiece clamping devices in forging manipulators: US, 4776199[P]. 19881011. [24] Petrescu, F.I., Sisteme mecatronice seriale, paralele și mixte. Create Space publisher, USA, February 2014, ISBN 978-1-4959-2381-4, 224 pages, Romanian edition.