manipulator pe Şine folosit la forjarea titanului

Sesiunea Ştiinţifică Studenţească, 16-17 mai 2014

1

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: [email protected];

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

mailto:[email protected]


2

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.

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).

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.

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


3

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

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


4

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

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

Aliaj T, °C Timp

menţinere

h

Răcire

Titan

comercia

l

pur grad 1-4

(cf. ASTM)

650-

760

0,10-2

aer

Ti5Al2,5Sn 720-

845

0,16-4 aer

Ti8Al1Mo1

V

790 1-8 În aer

sau

în cuptor

Ti6Al4V 705-

790

1-4 În aer

sau

în cuptor

Ti7Al4Mo 705-

790

1-8 aer


5

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

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.


6

Fig.3 Manipulator de forjare pe şine tip GLAMA

3.2. Uzina de putere a manipulatorului (Dispozitivul

acumulator)

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

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.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


7

- 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. 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.


8

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.

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


9

- 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

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


10

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

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.

manipulator pe Şine folosit la forjarea titanului

Documents