201411_PSpaw.pdf 41Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 Problemy badawcze   kolumn pras hydraulicznych   do wyciskania profili z metali kolorowych Problems during inspection of columns in extrusion press for colour metals Maciej Korneluk Ryszard Jawor Mgr inż. Maciej Korneluk, mgr inż. Ryszard Jawor – RBM-nDT. Autor korespondencyjny/Corresponding author: ryszard.jawor@rbm-ndt.pl Wstęp Prasy hydrauliczne do wyciskania (ekstruzji) to ma- szyny służące do wytwarzania elementów o stałym profilu poprzecznym. na rysunku 1 przedstawiono przykładową prasę hydrauliczną do wyciskania profili. Podczas wyciskania materiał umieszczony w pojem- niku lub matrycy, poddany naciskowi stempla (lub tło- czyska – poprzez przekładkę, zwaną także przetłocz- ką lub płytą naciskową) wypływa przez otwór matrycy lub szczelinę pomiędzy stemplem i matrycą, doznając wydłużenia kosztem zmniejszenia przekroju poprzecz- nego. Stan naprężenia w przeważającej części obsza- ru uplastycznionego jest trójosiowym nierównomier- nym ściskaniem. Możliwe są więc duże odkształcenia plastyczne bez naruszenia spójności materiału (mak- symalne współczynniki wydłużenia są rzędu 300, średnie – ok. 50). Jest to główna zaleta procesów wyciskania. Duże odkształcenia wymagają dużych sił. Głównym ograniczeniem wielkości odkształceń moż- liwych do uzyskania w jednej operacji wyciskania nie jest zjawisko dekohezji materiału (jak w wielu innych procesach), lecz wytrzymałość narzędzi [1,2]. Streszczenie Prasy hydrauliczne do wyciskania (ekstruzji) to ma- szyny służące do wytwarzania elementów o stałym pro- filu poprzecznym. Głównym ograniczeniem wielkości odkształceń możliwych do uzyskania podczas jednej operacji jest wytrzymałość narzędzi. Jednymi z najbar- dziej obciążonych elementów maszyny są kolumny. Pęk- nięcie kolumny oraz postój maszyny generują ogromne straty finansowe oraz problemy logistyczne dla zakładu. Istotnym elementem przeciwdziałania tego typu awariom jest stosowanie okresowych badań nieniszczących. na podstawie zgromadzonych doświadczeń oraz za pomo- cą obliczeń możliwe jest prognozowanie pozostałego czasu pracy kolumn, w których zlokalizowano i określono wielkość nieciągłości materiałowej, co zapewnia ciągłość procesu oraz bezpieczeństwo pracy pracowników obsłu- gujących proces produkcyjny. Słowa kluczowe: prasa hydrauliczna, badanie kolumn, problemy badawcze, kontrola, metody nieniszczące abstract Hydraulic press for extrusion is a device used to create objects with a fixed cross-sectional profile. Main limit of possible size of deformation during extru- sion is durability of the machinery. The most tensed ele- ments in press are the columns. Damage of the column and breakdown of the press can generate large amount of financial loss and logistic problems to production fa- cility. Applying of periodically performed non-destruc- tive testing methods can counteract to such situation. It is possible to forecast remained operational time of the columns by using collected data about location and size of located discontinuities and theoretical calcu- lations. Such action provides continuity and safety dur- ing production process. Keywords: hydraulic press, columns inspection, inspection problems, non-destructive examination, testing methods 42 Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 Przy dużych odkształceniach stosuje się wyciskanie na gorąco, gdyż podczas wyciskania na zimno siły są tak znaczne, że narzędzia nie wytrzymują obciążeń. Duże odkształcenia mogą być zrealizowane na zim- no tylko dla materiałów miękkich (np. czystego alumi- nium). wyciskanie na gorąco jest realizowane głównie na prasach hydraulicznych pracujących horyzontalnie o nacisku od 230 do 11 000 T oraz ciśnieniu od 30 do 700 MPa [1,2]. Rys. 1. Prasa hydrauliczna do wyciskania [3] Fig. 1. Hydraulic press for extrusion Rys. 2. Schemat prasy hydraulicznej do wyciskania [4] Fig. 2. Extrusion press diagram Główne elementy prasy to: matryca, płyta oporowa przednia i tylna, cylinder, tłoczysko i kolumny łączą- ce płyty oporowe. Jednymi z najbardziej obciążonych elementów maszyny są kolumny, narażone na cyklicz- ne siły rozciągające. w jednej maszynie znajdują się zazwyczaj 3 lub 4 kolumny, ustawione symetrycznie względem osi wzdłużnej maszyny. Kolumny mogą być pełne lub mieć otwory centralne w części czołowej o głębokości 1÷1,5 m. Otwory te służą do wprowadza- nia w nie grzałek podgrzewających kolumny podczas montażu, co ułatwia regulację wstępnego naciągu i osiowania kolumn. na rysunku 2 przedstawiono sche- mat prasy hydraulicznej do wyciskania wraz z jej ele- mentami. Eksploatacja tego typu pras przewidywana jest na kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt lat, a więc w tym okresie wystąpi konieczność ich remontów i moder- nizacji, które stanowią bardzo poważne zagadnienia techniczno-ekonomiczne dla zakładu produkcyjne- go. Pęknięcie kolumny oraz postój maszyny generuje ogromne straty finansowe oraz problemy logistyczne dla zakładu. Istotnym elementem przeciwdziałania tego typu awariom jest stosowanie okresowych badań nieniszczących podczas planowych postojów remon- towych maszyny. Ze względu na ograniczony dostęp do kolumn zamontowanych w maszynie, jedyną do za- stosowania metodą badań nieniszczących jest metoda ultradźwiękowa (technika echa oraz przepuszczania), prowadzona od czoła kolumny. Metoda ta pozwala również na wykonanie badań na maszynie pracującej, bez konieczności jej wyłączania (studzenia) lub roz- brajania. Inne metody rozszerzające zakres badań lub potwierdzające uzyskane wyniki stosuje się w czasie postojów remontowych na elementach wymontowa- nych z prasy. Rzetelnie przeprowadzone badania ultradźwiękowe mogą w sposób jednoznaczny dostarczyć informacji, czy w badanej kolumnie występują nieciągłości lub nie. Co więcej, podczas prowadzenia badań cyklicz- nych, przy zastosowaniu tych samych kryteriów oce- ny, możliwe jest stwierdzenie, czy wykryta nieciągłość ulega stopniowemu powiększaniu oraz w jakim tempie. Dzięki takim informacjom możliwe jest prognozowanie pozostałego czasu pracy kolumn oraz planowanie wy- miany wadliwych elementów na nowe, bez ponoszenia dodatkowych kosztów spowodowanych awarią. Przykłady zastosowania badań nieniszczących na rysunku 3 przedstawiono uszkodzoną (pęknię- tą) kolumnę, na której nie były prowadzone badania nieniszczące. Kolumna ta pochodzi z maszyny FIEL- DInG Gloucester o nacisku 1600 T, wyposażonej w 3 kolumny o długości ok. 6 m i średnicy rdzenia 237 mm, stosowanej do wyciskania profili ze stopów aluminio- wych. Rozwój pęknięcia nastąpił od zakończenia otwo- ru centralnego (czyli od środka przekroju kolumny) w odległości ok. 1200 mm od czoła. Awaria ta nastąpiła w roku 2009 na jednej z 3 maszyn i przyniosła firmie znaczne straty oraz spowodowała, że cykliczne bada- nia nieniszczące zostały wdrożone do procedur utrzy- mania ruchu wszystkich maszyn. Po wymianie uszkodzonej kolumny prowadzono re- gularne badania ultradźwiękowe na kolumnach wszyst- kich maszyn, w odstępach czasowych 6 lub 12 miesię- cy. w roku 2010 na jednej z kolumn (oznaczonej nr 3) zlokalizowano skupisko nieciągłości znajdujących się w odległości 1070÷1190 mm od czoła kolumny w środ- kowej części jej przekroju. Odległość ta odpowiadała głębokości otworu centralnego kolumny. wielkość rów- noważna największego wskazania wynosiła wówczas Deq = 5 mm. Podczas każdej z inspekcji wskazanie to stopniowo powiększało się. w 2011 r. Deq = 7 mm, w 2012 r. Deq = 16 mm, a w 2013 r. Deq = 20 mm. w tym samym czasie na kolejnej kolumnie (ozna- czonej nr 1) tej samej maszyny zlokalizowano niecią- głość znajdującą się ok. 300 mm od czoła kolumny, 43Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 przebiegającą po obwodzie w części gwintowanej. Długość nieciągłości określona techniką przesuwu i 12 dB spadku echa wynosiła ok. 140 mm. w roku 2014 dokonano wymiany wszystkich kolumn prasy na nowe. Po wymontowaniu wadliwej kolumny 1 wykona- no badania magnetyczno-proszkowe, które potwier- dziły wyniki uzyskane podczas badań ultradźwięko- wych. Długość nieciągłości na powierzchni wynosiła 250 mm. Defektogram proszkowy przedstawiono na rysunku 4. w latach 70. w innym zakładzie produkcyjnym zda- rzył się wypadek podczas awarii prasy, podczas które- go pęknięta część kolumny wraz z nakrętką, spadając z maszyny zraniły poważnie pracownika obsługujące- go proces produkcyjny. wypadek ten zakończył się działaniami śledczymi prokuratury oraz zmusił kierow- nictwo zakładu do prowadzenia regularnych badań nieniszczących w celu zapewnienia ciągłości procesu produkcyjnego oraz bezpieczeństwa pracownikom pracującym w pobliżu maszyny. Rys. 3. Uszkodzona kolumna prasy hydraulicznej do wyciskania profili ze stopów aluminiowych, widoczne powierzchnie przełomu Fig. 3. Damaged column dismantled from hydraulic press for extruding profiles made from aluminium alloys. Two surfaces of the fracture are visible Rys. 4. Defektogram proszkowy uzyskany na wadliwej kolumnie prasy hydraulicznej, potwierdzający występowanie nieciągłości wykrytej metodą ultradźwiękową. Kolorem oznaczono wykryte wskazania Fig. 4. Magnetic particle indication of discontinuity in column from hydraulic press, as confirmation of indication discovered during ultrasonic testing. Indication has been marked. 44 Przegląd sPawalnictwa Vol. 86  nr 11/2014 Wnioski w czasie prowadzenia badań ultradźwiękowych techniką echa na kolumnach pras, podobnie jak przy badaniu osi kolejowych od czoła, napotyka się wiele trudności. Podstawowym problemem są wskazania pozorne uzyskiwane od zmian geometrii kolumny na jej długości oraz od transformacji wiązki fal. Kolejnym problemem może być tłumienie fali ultradźwiękowej przez materiał kolumny, co może uniemożliwić wy- krywanie nieciągłości o małych rozmiarach, znajdu- jących się w obszarach oddalonych o kilka metrów od powierzchni wprowadzania fal ultradźwiękowych. Zastosowanie techniki przepuszczania dostarcza in- formacji ogólnych o stanie jakości badanej kolumny, jednak nie pozwala ona na zlokalizowanie i określe- nie wielkości wykrytej nieciągłości. na podstawie doświadczeń uzyskanych podczas wieloletnich badań nieniszczących kolumn pras hy- draulicznych przez jednego z autorów można stwier- dzić, że propagacja pęknięć na kolumnach następu- je najczęściej od powierzchni zewnętrznej w miejscu styku nakrętki z płytą oporową. Bywają również przypadki, gdy pęknięcia pojawiają się na dnie otwo- rów nawierconych centrycznie na czole kolumny i propagują od środka osi kolumny do jej powierzchni zewnętrznej. Są to obszary oddalone maksymalnie o 1500 mm, co umożliwia skuteczne badanie tych obszarów metodą ultradźwiękową. Istotnym czynnikiem wpływającym na wyniki ba- dań jest stan naprężenia badanej kolumny. Jeden z przypadków wykazał, że wielkość wskazania od wykrytej nieciągłości ulegała zmniejszeniu lub całko- witemu zanikowi w momencie zmniejszenia nacisku prasy i odprężeniu kolumny. Po upływie 6 miesię- cy ta sama nieciągłość powiększyła się już w takim stopniu, iż stan naprężenia kolumny przestał istotnie wpływać na wielkość wskazania. na podstawie zgromadzonych doświadczeń oraz pomocą obliczeń możliwe jest prognozowanie po- zostałego czasu pracy kolumn, w których zlokalizo- wano i określono wielkość nieciągłości materiałowej. w czasie pracy ubytek przekroju kolumny wzrasta w postępie geometrycznym, zatem im większy jest roz- miar nieciągłości, tym krótszy jest pozostały czas pracy kolumny oraz większe ryzyko jej nagłego pęknięcia. Literatura [1] Oberg E., Jones F.D., Horton H.L., Ryffel H.H.: Machi- nery’s Handbook (26th ed.), new York: Industrial Press, ISBn 0-8311-2635-3, 2000. [2] Drozda T., wick C., Bakerjian R., Veilleux R.F., Petro L.: Tool and manufacturing engineers handbook: Forming, SME, ISBn 0-87263-135-4, 1984. [3] http://www.weiku.com [4] http://www.alurock.com Miesięczne i roczne spisy treści oraz streszczenia artykułów  opublikowanych w Przeglądzie spawalnictwa  są dostępne na stronie internetowej: www.pspaw.pl