Технология непрерывного экструдирования Conform

Технология Conform была разработана в 1971 году Комитетом по Атомной Энергетике Великобритании (UKAEA) как метод непрерывной экструзии металлов. Достоинства технологии Conform заключаются в том, что с ее помощью можно непрерывно экструдировать продукты практически любой формы. Технология нашла применение в производстве алюминиевых и медных длиномерных изделий, покрытий для стальной проволоки, многоканальных труб.

Но для металлов, более тяжелых и твердых, чем медь и алюминий, такие проблемы, как недостаточная прочность инструмента и низкое качество продукта ограничили область применения технологии Conform.

Принципы экструзии Conform

Экструзионная машина Conform состоит из следующих элементов:

• вращающееся колесо с выемкой (ротор);
• прижимной (упорный) ролик;
• башмак, который накрывает выемку крышкой;
• упор, который направляет экструдируемый материал;
• фильера и камера, в которой располагается фильера.
•  

Для прямой традиционной экструзии обычно используются заготовки диаметром около 250 мм из экструдируемого материала. В противовес этому для экструзии Конформ требуется медная либо алюминиевая проволока (катанка) диаметром 9-25 мм в бухтах от двух тонн и больше.

Принцип экструзии Conform заключается в следующем. Медная/алюминиевая проволока, вставленная в выемку колеса, вытягивается за счет трения упорного ролика с колесом. Вытянутый материал перегораживается упором, вставленном в выемку, при этом создается давление экструзии, как только башмак накрывает выемку. Таким образом, за счет внутреннего трения металл нагревается до температур пластической деформации и продавливается в камеру фильеры и может экструдироваться через фильеру в любую форму.

Поскольку материал вырабатывает фрикционное тепло и тепло трансформации, то можно достичь температуры до 500 градусов и более, без помощи нагревателя.

Материал приобретает высокопластичное состояние из-за изменения в направлении среза на опоре и высокой температуры подогреваемой камеры с фильерой. Экструдированный материал является полностью перекристаллизованным, он находится в мягком состоянии. А поскольку в качестве заготовки используется проволока, то можно проводить непрерывную экструзию без необходимости останавливать машину для того, чтобы соединить вместе куски материала. Это преимущество, поскольку можно делать большие бухты.

Процесс Conform использует одиночное вращающееся колесо с выемкой на торце, в которую принимается заготовочный прут (или отдельные заготовки в некоторых случаях). Поскольку площадь контакта в выемке существенно превосходит площадь контакта между заготовкой и примыкающим башмаком, вращение колеса направляет заготовку в зону деформации, где вырабатывается достаточное давление и тепло для последующей экструзии.

Процесс с двумя выемками был разработан BWE для экструзии точных круглых и многополостных алюминиевых труб и широко используется в производстве трубок для теплообменников. Использование двух заготовочных прутов дает некоторые преимущества. Для полых изделий, где инструмент содержит сердечник или входящий в другую деталь штамп, два потока пластифицированного алюминия дает сбалансированный поток материала через инструмент, а, следовательно, более концентрический продукт. По сравнению с одиночной выемкой в данном случае возможен более широкий диапазон размеров продукта и более высокая производительность.

Следующим преимуществом процесса с двумя выемками является возможность использовать систему BWE Twinex. Система Twinex использует два заготовочных прута, которые входят в одиночное колесо с двумя выемками. Два потока металла заходят в специальный инструмент либо с одинарным, либо с двойным штампом. Для больших секций два потока смешиваются и экструдируются как один продукт. Для маленьких секций два потока не смешиваются, но возникают как две отдельные экструзии. Система Twinex эмулирует две машины в одной, позволяя машине охватить намного более широкий диапазон размеров продукта и увеличить производительность, снижая затраченное время.

В качестве заготовки для производства медной ленты используется электролитический медный стержень. Могут использоваться стержни диаметром от 8 до 16 мм, что зависит от диапазона продукции и требуемой производительности. Для того, чтобы машина Conform работала в оптимальных условиях, заготовочный прут должен быть довольно мягким, поэтому максимальный предел текучести определяется на уровне 130 МПа.

Типичная линия BWE Conform состоит из следующего оборудования:

• подача заготовки;
• выпрямление заготовки;
• система очистки заготовки;
• машина Conform;
• система управления;
• система охлаждения продукта;
• оборудование для текущих измерений и контроля качества;
• система обработки продукта.

Система очистки заготовки

Заготовка, перед тем, как попасть в машину Conform, должна быть очищена от окислов, масла, жира и любых других загрязнителей. В некоторых случаях необходимо использовать встроенную очистку заготовки, особенно когда заготовка была покрыта воском против окисления. Система очистки заготовок, используемая в машинах BWE Conform, представляет собой либо систему BWE Parorbital, либо ультразвуковую систему.

Принцип системы Parorbital заключается в комбинировании механических и химических операций по очистке. Каждая чистящая головка включает в себя воздушные ножи на входе и на выходе для предотвращения потери очищающей жидкости, а также шесть гидроконвертеров, которые и осуществляют очистку. Каждый гидроконвертер состоит из вольфрамово-карбидовых матриц немного большего диаметра, чем заготовочный прут. Высокоскоростная струя очищающей жидкости впрыскивается в гидроконвертер таким образом, что создается мощное завихрение вокруг заготовочного прута. Завихрение жидкости вызывает вращение заготовки на высокой скорости, при этом поверхность заготовки очищается о вольфрамово-карбидовые матрицы.

Используется ли система Parorbital или ультразвуковая, комбинация химических и механических очищающих действий позволяет использовать очищающую жидкость в разбавленном виде. Поэтому исключаются опасные факторы, связанные с едкими химикатами.

Машина Conform

Сердце машины Conform – это колесо (ротор) с выемкой с валом в сборе. Этот узел установлен на шариковые подшипники, которые герметично закрыты для удержания смазки и предотвращения попадания сторонних материалов. Герметичная система смазки и охлаждения обеспечивает адекватную смазку подшипников и поддержание правильных температур работы. Подшипники закреплены на массивном стальном каркасе, где также закреплены поворотный башмак и система удержания гидравлического башмака.

Таким образом, относительные отклонения колеса и инструмента сведены к абсолютному минимуму, что дает возможность получить хорошие допуски по продукту, несмотря на высокие силы во время работы. Главный вал приводится электродвигателем постоянного тока с бесступенчатым тиристорным приводом через планетарную передачу. Блок отбора мощности от привода подбирается под конкретные задачи по производству.

Поворотный башмак, удерживающий инструмент, вставляется и отводится гидравлическими цилиндрами с подвесного пульта управления на машине. В закрытом положении башмак зажат вместе с гидравлическими цилиндрами. Эта система обеспечивает легкие условия запуска и минимизирует риск повреждения от перегрузки при работе с незнакомым продуктом; давление зажатия может быть снижено, позволяя башмаку уйти в сторону.

Диапазон машин Conform компании BWE состоит из 5 моделей: 285, 315, 350, 400 и 550. Номер модели означает диаметр колеса Conform. Мощность машин возрастает с размером; обычно от 120 кВт для машины 285 до 400 кВт для машины 550. Затраты энергии для превращения заготовки из медного стержня в ленту довольно низки, поэтому мощность в данном случае не является решающим критерием при выборе машины Conform. Ограничивающими факторами являются размер инструмента, который будет устанавливаться в машину, а также показатели на выходе.

Система управления линии Conform

Промышленная компьютерная система с высокоспециализированным программным обеспечением выполняет следующие функции:

• измерение и запись рабочих параметров, таких как: температуры, скорости, загрузка машины, время и т.д.;
• переключаемое изображение первичных, вторичных параметров и параметров управления;
• графическое изображение каждую секунду любых четырех первичных параметров за последние 24 часа;
• графическое изображение каждую одну десятую секунды любых четырех параметров;
• запись файлов первичных, вторичных параметров и параметров управления;
• просмотр записанных файлов;
• контроль динамических систем, таких как: подача заготовки, ведущий вал, прием, нагреватели и т.д.;
• сигнализация;
• калибровка входов и выходов системы;
• установка и калибровка контуров управления.

Система охлаждения продукта

Универсальная система для охлаждения колеса, инструмента и произведенного продукта состоит из накопительной емкости, где продукт охлаждается при загрузке сверху. Сзади емкости находится насосная станция, состоящая из насоса и теплообменника для каждого охлаждающего контура. Высокообъемный насос поддерживает требуемый уровень и скорость потока контура охлаждения продукта. Контур низкого объема охлаждает экструзионное колесо и инструмент. Клапаны контроля потока для каждого охлаждающего контура смонтированы на передней части емкости. Используется замкнутая система для того, чтобы смягчить воду, которая циркулирует в контурах охлаждения продукта и инструмента.

Система охлаждения предусматривает быстрое закаливание или более глубокое охлаждение. В свою очередь это позволяет контролировать структуру зерна и, как следствие, свойства экструдируемого продукта.

Оборудование для измерений и контроля качества

Контроль качества и обмер продукта могут быть осуществлены на оборудовании в составе линии при помощи детектора вихревых токов. Размеры продукта обеспечиваются настройкой линии и могут быть измерены и записаны с помощью лазерного измерительного прибора. Все эти приборы работают на всех скоростях линии и могут быть настроены на генерирование сигналов контроля и предупреждения с целью накопления статистических данных.

Система обработки продукта

Система обработки продукта может быть настроена для производства продукта в бухтах и прямых отрезках. Для бухт устанавливается моталка с демпфирующими роликами для иключения деформации и разрывов экструдированного изделия. Для получения продукции в отрезках устанавливается узел резки.

Инструменты и оснастка Conform

Экструзионный штамп (фильера) удерживается в поворотном башмаке в камере штампа. В камере штампа находятся опоры, которые примыкают к выемке колеса и отклоняют поток меди в направлении камеры. Камера штампа обеспечивает точное выравнивание инструмента и позволяет перенастройку для быстрых изменений. Камера штампа размещает широкий диапазон фильер для продукта. Выбор геометрии и материала инструмента необходим для производства высококачественного продукта. Обработка поверхности и допуски по размерам зависят от точности инструмента. Материалы, используемые для инструмента, должны обеспечивать сбалансированную твердость, прочность и мощность, чтобы гарантировать хорошие показатели по износу наряду со способностью противостоять давлениям и температурам экструзии.

Инструменты являются важным элементом завода Conform в плане качества продукции и экономических показателей. Используя последнее поколение станков, BWE может поставлять высококачественные производственные инструменты по очень экономичным ценам. Техническая поддержка, обеспечиваемая специалистами BWE, охватывает мониторинг инструментов в процессе их эксплуатации, консультации по конструкции, материалам и условиям работы, а также осуществление проектов, нацеленных на улучшение параметров и увеличение срока службы.

Производственные операции

Линия Conform для производства медной ленты может работать круглосуточно при загрузке до 75%. Даже после холодного старта машина быстро прогревается до рабочей температуры и может быть на полной производительности уже через несколько минут. Предварительный прогрев инструмента в печи до рабочей температуры еще больше снижает время готовности машины.

Бухты с заготовкой и барабаны с готовым продуктом можно менять без остановки производства. Для замены бухт с заготовками скорость линии снижается, а в это время на устройство подачи ставятся новые бухты. Концы новых бухт свариваются с концами старых бухт с помощью сварочного аппарата BWE для холодной сварки стыков. Затем скорость линии возвращается на исходное значение и работа продолжается. Подобным образом можно снизить скорость для замены барабана с готовым продуктом.

Требования к персоналу для линии Conform низкие. Для запуска линии, а также для замены бухт и барабанов, требуется два оператора. Во время нормальной работы для контроля процесса требуется всего один оператор. На некоторых заводах один оператор обслуживает две линии.

Замена инструмента необходима при ухудшении продукта или по окончание срока службы. Чтобы быстро заменить инструмент, необходимо новый комплект предварительно подготовить и разогреть в печи до рабочей температуры. Экструзия останавливается, башмак открывается и вынимается старый инструмент. Новый инструмент устанавливается в башмак, башмак закрывается, работа может немедленно начинаться. Подобным образом замена инструмента может быть проделана в считанные минуты. Эта способность быстро менять сортамент продукции дает выгоду в исключении больших складских площадей для хранения продукции, т.е. можно работать «с колес». Машина Conform может быть быстро перенастроена на производство различных размеров изделий.

Качество продукта

Медная лента, произведенная по технологии Conform, используется в электротехнических продуктах, таких как: магниты, трансформаторы, электротехнические шины и двигатели, где важны размеры и электрические свойства. Электрические свойства отвечают требованиям всех стандартов на подобную продукцию и обычно лучше, чем у прокатных продуктов. Не наблюдается пористости, включений и локальных отклонений по размерам. Обработка поверхности безупречная.

Качество поверхности определяется помимо настройки инструмента чистотой структуры заготовки от металлургических включений. В противном случае можно получить разрывы-свищи готового изделия. Лента готова для эмалирования или полимерной изоляции без какой-либо дальнейшей обработки. Лента производится в полностью закаленных условиях при давлении около 250 МПа, напряжении текучести 70 МПа и удлинении 50%. Необходимо помнить, что в данном процессе экструзия и термообработка совмещены. Структура зерна хорошая и стабильная, соответствует обычному потоку материала через машину Conform.Это же относится и к изделиям из алюминия.

При производстве алюминиевых труб, медной и алюминиевой проволоки необходимо настраивать параметры нагрева и охлаждения с учетом требуемой микроструктуры, которая определяет прочностные и технологические свойства готового продукта. Поэтому при заказе оборудования помимо геометрических размеров оговариваются требуемые характеристики изделий. А для труб немаловажное значение имеет чистота внутренней поверхности.

Экономика

Альтернативные методы экструзии металлов требуют использования оборудования для зачистки, вытягивания, прокатки и закалки. Стадия закалки является особенно емкой по времени, включая циклы нагрева, выдержки и охлаждения. В противовес этому процесс Conform превращает заготовку в закаленную ленту за одну операцию. Обычно производственные затраты на производство медной трубки с помощью Конформ на 30-50% ниже, чем альтернативными методами.

Другой важный экономический фактор – это снижение оборотных фондов. При использовании технологии Conform количество сырья и этапов производства значительно меньше, чем в прокатном производстве. Операции традиционного проката требует до четырех типоразмеров промежуточных фильер, а также сопутствующее оборудование на каждой стадии процесса.

В противовес этому процесс Conform позволяет производить широкий диапазон размеров продукта из одной заготовки. При этом нет никаких промежуточных участков, а есть лишь процесс из одного шага. Однако, необходимо учитывать, что технологический отход материала в виде стружки в процессе непрерывной экструзии в среднем 10%.

Чем более материалоемким и длинномерным является ваше изделие, тем короче срок окупаемости машины Conform.

Заключение

Метод Conform является хорошо разработанным, а также надежным и экономически эффективным способом производства медной и алюминиевой ленты, алюминиевой проволоки, труб и профилей и пр. По сравнению с альтернативными методами производства Conform предлагает следующие преимущества:

• низкие капитальные затраты;
• низкие затраты на рабочую силу;
• низкие затраты на энергоресурсы;
• меньше необходимого пространства;
• низкие затраты на обслуживание;
• высокая производительность;
• термически обработанный продукт;
• неограниченная длина;
• короткое время переналадки.

Однако наряду с преимуществами существуют недостатки и ограничения технологии Conform

Коротко о компании BWE Ltd

Компания BWE Ltd, ранее Babcock Wire Equipment Ltd, работает в своей штаб-квартире в Эшфорде на юго-востоке Англии с 1969 года, когда компания производила тоько машины для холодной сварки. Машины Conform производятся с 1976 года, тогда они использовались только для экструзии круглой проволоки. Непрерывное развитие, направленное на расширение возможностей процесса Conform, привело к возросшему числу вариантов его применения, включая изготовление магнитной проволоки с покрытием, электрических проводников, трубки для холодильных установок. В конечном итоге, в 1984 году был представлен процесс Conklad для производства стальной проволоки, покрытой алюминием, и волоконно-оптических кабелей.