Плавающая оправка для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями

Полезная модель относится к технологии обработки металлов давлением с применением ультразвука при волочении и может быть использована при изготовлении труб, например, труб из нержавеющих сталей.
Уровень техники
Известна стальная монолитная самоустанавливающаяся оправка, содержащая последовательно расположенные переднюю фаску, рабочий цилиндрический участок, рабочий конический участок, нерабочий цилиндрический участок большего диаметра, заднюю фаску и хвостовик [Шапиро, В.Я. Бухтовое волочение труб / B.Я. Шапиро, В.И. Уральский. - М: Металлургия, 1972. - с. 115, рис. 33, а. - 2]. Данная оправка выполнена с высокой точностью размеров и, соответственно, позволяет получить трубы с большей точностью внутреннего диаметра. Высокая точность размеров оправки в данном случае обусловлена применением при изготовлении технологических приливов с выполненными в них центрами, используемыми при обработке ее поверхности.
Недостатком данной оправки является то, что при волочении труб малого внутреннего диаметра (менее 14 мм) не всегда возможно выполнить с требуемой точностью центра непосредственно в теле оправки (ввиду малости ее размеров). Поэтому при обработке в центрах используют дополнительные прибыльные элементы, расположенные с торцов обрабатываемой детали и имеющие диаметр, превышающий размер цилиндрического участка большего диаметра. Наличие этих прибыльных элементов существенно увеличивает расход металла при изготовлении оправок. Кроме того, в случае изготовления нескольких комплектов одного типоразмера оправок данного вида, даже при использовании копиров, отклонения размеров в партии оправок будут иметь место, соответственно достичь требуемой точности в партии труб в полной мере невозможно.
Наиболее близким аналогом является стальная монолитная самоустанавливающаяся оправка для волочения труб (патент РФ №134087, МПК В21С 3/16, дата публикации: 10.11.2013). Стальная монолитная самоустанавливающаяся оправка для волочения труб включает последовательно расположенные переднюю фаску, рабочий цилиндрический участок, рабочий конический участок, нерабочий цилиндрический участок большего диаметра и заднюю фаску, образующие звено, согласно предлагаемому техническому решению, количество звеньев должно быть не менее двух.
Недостатком данного технического решения является то, что стальную монолитную самоустанавливающуюся оправку для волочения труб невозможно использовать с ультразвуком, так как ее размеры выполнены не резонансными, поэтому ультразвуковые колебания в процессе волочения будут глушиться, и эффективность ультразвукового воздействия на очаг деформации резко снизится. Оправка по данному техническому решению имеет острые кромки при сопряжении диаметров, приводящие при ее установке к получению рисок на внутренней поверхности трубы, которые после деформирования заготовки переходят во внутренние дефекты тела трубы. В процессе волочения возникают автоколебания, которые приводят к волнистости внутренней поверхности и снижают точность по толщине стенки трубы. Кроме того, рабочие поверхности известной оправки не имеют защитного износостойкого покрытия и быстро изнашиваются.
Задачи, стоявшие перед авторами настоящей полезной модели, заключались в повышении эффективности волочения за счет воздействия ультразвука на деформируемую трубу, максимальной концентрации ультразвуковых колебаний в очаге деформации при волочении трубы и повышение качества труб после волочения за счет выполнения оправки с резонансными размерами, исключения автоколебаний, дефектов, скруглений острых кромок оправки и повышения точной самоустановки вследствие ее плавающей ориентации.
Технический результат полезной модели - повышение эффективности передачи ультразвуковых колебаний в очаг деформации при волочении труб, улучшение качества труб за счет повышения точности внутреннего диаметра трубы, снижения шероховатости внутренней поверхности и повышение износостойкости рабочих поверхностей.
Указанный технический результат достигается путем выполнения плавающей оправки для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями, содержащей последовательно расположенные звенья, каждое из которых включает коническую направляющую, переднюю фаску, рабочий цилиндрический участок, рабочий конический участок, не рабочий цилиндрический участок, заднюю фаску и два образующих звена, отделяемые по мере износа оправки, причем оправка имеет резонансные размеры кратные четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале каждого звена, из которого оно изготовлено, имеет звенья, у которых рабочие конические участки расположены в местах пучности ультразвуковых колебаний, а каждое звено выполняется с резонансными размерами, на заходе каждое звено снабжено конической направляющей со скругленной фаской, первый нерабочий цилиндрический участок каждого звена на выходе имеет скругленную фаску, каждое звено снабжено выемкой и вторым нерабочим цилиндрическим участком, размеры которой выполняются так, чтобы центры тяжести и геометрические центры были расположены в очаге деформации в месте пучности ультразвуковых колебаний. На рабочие поверхности оправки наносится износостойкое покрытие.
Существо полезной модели поясняется следующим чертежом.
Фиг. 1. Плавающая оправка для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями.
Изображенная на фиг. 1 плавающая оправка для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями включает звенья, состоящих из двух развернутых оправок относительно друг друга и изготовленных за одно целое, каждая из которых включает коническую направляющую 1 со скругленной фаской 2, рабочий цилиндрический участок 3, рабочий конический участок 4, не рабочий цилиндрический участок 5, скругленные фаски 6 с пучностями ультразвуковых колебаний ζmax, показанных на эпюре 7 и имеет два звена. Для повышения износостойкости на поверхность оправки нанесено износостойкое покрытие, например, нитрид титана.
Резонансный размер оправки вычисляется из условия кратности ее размеров четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале оправки по формуле:
L=λ/4,
где L длина оправки,
λ=с/ƒ, с - скорость звука в материале оправки в м/с, ƒ - частота колебаний 1/с.
Так, например, для стали:
с=6100 м/с. При рабочей ультразвуковой частоте ƒ=22000 1/с:
L=6100/22000:4=0,069 м или 69 мм.
Пример использования предлагаемой оправки.
Плавающая оправка для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями работает следующим образом.
Один из концов трубы-заготовки для волочения предварительно заковывают для получения головки. С не закованного конца трубы совместно с определенной порцией смазки в полость трубы вводят плавающую оправку для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями и перемещают ее до упора первого звена оправки в закованный конец трубы. После этого закованный конец трубы вставляют в волоку, захватывают тянущим механизмом волочильного стана, включают ультразвук и протягивают трубу-заготовку на требуемый размер с одновременной подачей технологической смазки на наружную поверхность трубы. При этом ультразвуковые колебания передаются на оправку от ультразвукового генератора через преобразователи, волновод, волоку и материал протягиваемой трубы (на фиг. 1 не показаны). Износостойкое покрытие поверхности оправки нитридом титана предотвращает налипание деформируемого материала при волочении на нее и повышает ее износостойкость. После волочения трубы ультразвук отключают, оправку очищают от остатков смазки, визуально оценивают состояние поверхностей 3 и 4 ее первого звена и повторяют ранее описанный цикл до появления признаков износа или повреждения рабочих поверхностей 3 и 4. В случае выявления дефектов на рабочих поверхностях оправки, а также изменения размеров его поверхностей 3 и 4 превышающих допустимое отклонение, производят отделение изношенной оправки, например, путем абразивной резки в плоскости разделения 8 (фиг. 1).
Затем перечисленные переходы повторяют. Отделение изношенных частей оправки производят до тех пор, пока не останется одна рабочая оправка. После износа последней оправки плавающую оправку заменяют на новую.
Высокая точность внутреннего диаметра и толщины стенки тянутых труб достигается за счет выполнения на одной оправке звеньев, имеющих конические направляющие, рабочие цилиндрические и конические участки со скругленными фасками посредством осуществления операций черновой и чистовой обработки одновременно для нескольких звеньев оправки, то есть изготовления многозвенной оправки с одной установки и в виде одной детали. С увеличением числа звеньев длина оправки увеличивается, но остается резонансной, так как каждое звено выполнено резонансным. Большая длина упрощает введение оправки в полость трубы и обеспечивает лучшее центрирование ее в трубе, что также способствует повышению точности тянутых труб.
Увеличенная длина и площадь поверхности плавающей оправки для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями дает возможность подачи совместно с ней в очаг деформации большего количества технологической смазки, которая способствует передаче ультразвука в очаг деформации. Переходные участки между звеньями оправки, являются соответствующими зонами накопления технологической смазки, которая в процессе осуществления пластической деформации вовлекается в очаг деформации, обеспечивая требуемый характер трения на контакте металла трубы с инструментом.
Плавающая оправка для волочения труб с ультразвуковыми колебаниями с несколькими звеньями позволяет значительно повысить срок ее службы, за счет сокращением удельных затрат на ее изготовление, в том числе путем уменьшения трудоемкости ее изготовления за счет сокращения времени по настройке оборудования и установке заготовок.
При реализации изобретения точность внутреннего диаметра трубы повысилась на 10-12%, шероховатость поверхности снизилась на 15% за счет более точного направления оправки, выглаживания микронеровностей под воздействием ультразвуковых колебаний, также на 30% снизилась трудоемкость изготовления оправок.