СПОСОБ РОТАЦИОННОЙ ВЫТЯЖКИ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК С УТОЛЩЕНИЯМИ
METHOD OF ROTARY DRAWING OF THIN-WALL SHELLS WITH BULGES

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к изготовлению тонкостенных осесимметричных деталей из низкоуглеродистых и легированных сталей, а также алюминиевых сплавов методами ротационной вытяжки, например, различных оболочек - цилиндрических, конических, со сложным профилем из сочетания цилиндрических, конических и криволинейных участков, а также тонкостенных оболочек с периодическим профилем в виде чередующихся утолщений и оболочек с концевыми утолщениями.
Конструктивной особенностью этих деталей является различная толщина концевых и основных участков, что обусловлено наличием внутренних и наружных резьб на концах деталей для соединения с пробками и крышками, а также с другими деталями.
Изготовление таких деталей ротационной вытяжкой позволяет получать утолщения на различных участках оболочек, взамен механической (токарной) обработки.
Важнейшей проблемой при производстве оболочек различных видов методами ротационной вытяжки (ротационной вытяжкой, ротационным обжимом и др.) является устойчивость процесса в очагах деформирования, влияющая на качество поверхности и точность геометрической формы.
Под качеством поверхности в технической литературе понимается высота микронеровностей, рябизна, волнистость, следы от роликов, которые по величине не выводят толщину стенки за пределы допускаемых отклонений, а также гофры, складки и утяжки, выводящие толщину стенки и диаметры оболочек за пределы допускаемых отклонений.
Как показал многолетний опыт ротационной вытяжки на машиностроительных предприятиях, актуальной проблемой в повышении устойчивости процесса ротационной вытяжки оболочек с целью обеспечения высокого качества поверхности и точности изготовления является проблема снижения вибраций инструмента и оснастки прокатных станов, особенно исключения явлений резонанса - совпадения частот собственных и вынужденных колебаний деталей и узлов стана и прокатываемых оболочек.
Кроме того, важнейшими условиями устойчивого протекания процесса ротационной вытяжки являются выбор режимов обработки на отдельных участках и переходах ротационной вытяжки, выбор профилей роликов, траекторий перемещения роликов, выбор зазоров между заготовкой и оправкой и т.д.
Поэтому получение тонкостенных оболочек различного профиля с высоким качеством обработки, точностью и высоким коэффициентом использования металла является актуальной задачей в производстве оболочковых деталей.
Известны методы ротационной вытяжки: классическая ротационная вытяжка цилиндрических поверхностей с уменьшением наружного диаметра, толщины стенки и увеличением длины заготовки, ротационный обжим с уменьшением диаметра заготовки, ротационная вытяжка проецированием, ротационная протяжка и др. (см. книгу Н.Н.Могильного. Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках. - М.:, Машиностроение, 1983 г.).
Недостатками известных методов применительно к проблеме получения тонкостенных оболочек различной формы является невысокая точность и качество поверхности, обусловленные сложностью формы и небольшой толщиной стенки оболочек.
Существует способ получения деталей с отдельными участками образующей, полученными сопряжением прямой линии с дугой заданного радиуса роликами с профилем, соответствующим конфигурации профильного участка образующей на сборной оправке (см. книгу В.Г.Капоровича. Обкатка металлоизделий в производстве. - М.: Машиностроение, 1973 г., стр.81, рис.35.
Недостатком данного способа является невозможность обработки заготовки по всей поверхности.
Известен также способ обжатия трубных заготовок (см. книгу М.А.Гредитора. Давильные работы и ротационное выдавливание. - М.: Машиностроение, 1971 г., стр.47, рис.28 "а", "б") роликом на разборных оправках, где требуется большое количество проходов обжатия горловины и отсутствуют операции по ротационной вытяжке цилиндрических поверхностей (рис.28 "б"), что характерно для оболочек с малой длиной цилиндра и неприемлемо при производстве тонкостенных оболочек различной толщины и формы, имеющих значительную длину цилиндра.
Наиболее близкий по технической сути и достигаемому техническому результату является способ ротационной вытяжки цилиндрических оболочек с наружными концевыми утолщениями (см. книгу М.А.Гредитора. Давильные работы и ротационное выдавливание. - М.: Машиностроение, 1971 г., стр.110-111, рис.66). В начале цилиндрическая заготовка, полученная вытяжкой в виде колпака с дном, устанавливается и закрепляется на оправке трехроликового станка (поз.1). Затем давильные ролики вдавливаются в заготовку, обеспечивая формирование наружного утолщения у дна детали (поз.2).
На позиции 3 ролики утоняют стенку до заданной толщины на всей длине основного прямолинейного участка до утолщения у конца заготовки (поз.4).
Данным способом получают наружные утолщения, а получение внутренних утолщений невозможно, кроме того, к недостаткам данного способа относится использование полуфабриката вытяжки, а не трубных заготовок, что снижает коэффициент использования металла.
Данный способ принят авторами за прототип.
Как видно из этого технического решения, в процессе формообразования заготовок не используют технических решений, повышающих чистоту поверхности и точность геометрических размеров, а именно оптимальных соотношений степеней деформации и режимов обработки на переходах и на различных участках обработки, величин зазоров между оправкой и внутренней поверхностью заготовки и рационального профиля роликов.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, принятого авторами за прототип, относятся невозможность получения внутренних утолщений и отсутствие технических решений по повышению чистоты обрабатываемой поверхности и точности геометрических размеров.
Кроме того, известный способ, принятый за прототип, предусматривает получение только цилиндрических оболочек, не имеющих участков перегиба образующей, то есть оболочек с прямолинейной образующей с наружными концевыми утолщениями.
Таким образом, задачей данного технического решения являлось создание способа ротационной вытяжки цилиндрических оболочек с наружными концевыми утолщениями из заготовок в виде колпака с дном, полученных методами штамповки из кружка.
Общими признаками с предлагаемым заявителями способом является установка заготовки на оправку, фиксация на оправке и воздействие на нее деформирующими роликами за один или несколько переходов.
0
0
0
В отличие от прототипа в предлагаемом заявителем способе ротационной вытяжки тонкостенных оболочек с утолщениями, формоизменение трубной заготовки осуществляют на основном и сопрягаемом участках, на участках с наружными и внутренними утолщениями и на участках входа и выхода деформирующих роликов, которые перемещают на участках входа по траектории в виде выпукло-вогнутых дуг окружности, а на участках выхода в виде вогнуто-выпуклых дуг окружности, при этом угол наклона касательной к дугам окружностей в зоне перегиба задают в пределах 5÷30°, формоизменение на участках сопряжения трубной заготовки осуществляют по радиусу не менее одной толщины стенки трубной заготовки, а формоизменение внутренних утолщений трубной заготовки осуществляют роликами с профилем рабочей поверхности в виде сочетания конических, тороидальных и цилиндрического участков, причем длина цилиндрического участка и радиус тороидального участка соответственно равны 0,2÷0,6 и 0,4÷0,8 толщины стенки трубной заготовки, при этом зазоры между внутренней поверхностью трубной заготовки и оправкой при формообразовании наружных и внутренних утолщений задают, соответственно, равными (0,01÷0,1)t и (0,15÷0,5)t, где t (мм) - толщина стенки трубной заготовки.
В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:
- формоизменение трубной заготовки на участках входа и выхода роликов выполняют с величиной подачи и скорости вращения, составляющей 10÷20% заданной величины подачи и скорости вращения на основном участке;
-1
- формоизменение трубной заготовки на всех участках обрабатываемой поверхности выполняют с отношением величины скорости вращения заготовки к подаче в пределах (0,6÷0,95) мм;
- формоизменение трубной заготовки на последнем переходе при утонении стенки осуществляют со степенью деформации, составляющей 0,6÷0,9 суммарной степени деформации;
- формоизменение трубной заготовки на последнем переходе на всех участках обрабатываемой поверхности выполняют с величиной подачи и скорости вращения, составляющих 0,6÷0,99 величины подачи и скорости вращения на предыдущих переходах;
- формоизменение трубной заготовки на участках сопряжения осуществляют с величиной скорости и подачи заготовки, составляющих 0,5÷0,75 величины скорости и подачи на основном участке;
- формоизменение внутренних утолщений осуществляют со степенью деформации при утонении стенки, составляющей 0,1÷0,4 суммарной степени деформации основного участка;
- формоизменение внутренних утолщений составляют с величиной подачи и скорости вращения, составляющей 0,5÷0,9 величины подачи и скорости вращения на предыдущих переходах.
Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности ротационной вытяжки тонкостенных оболочек с наружными и внутренними концевыми утолщениями и перегибами образующей в виде сопрягаемых цилиндрических, конических и криволинейных участков с высоким качеством обрабатываемой поверхности и точностью геометрических размеров за счет высокой устойчивости процесса формообразования.
0
0
0
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем установку заготовки, фиксацию на оправке и воздействие на нее деформирующими роликами за один или несколько переходов, особенность заключается в том, что формоизменение трубной заготовки осуществляют на основном и сопрягаемом участках, на участках с наружными и внутренними утолщениями и на участках входа и выхода деформирующих роликов, которые перемещают на участках входа по траектории в виде выпукло-вогнутых дуг окружности, а на участках выхода в виде вогнуто-выпуклых дуг окружности, при этом угол наклона касательной к дугам окружностей в зоне перегиба задают в пределах 5÷30°, формоизменение на участках сопряжения трубной заготовки осуществляют по радиусу не менее одной толщины стенки трубной заготовки, а формоизменение внутренних утолщений трубной заготовки осуществляют роликами с профилем рабочей поверхности в виде сочетания конических, тороидальных и цилиндрического участков, причем длина цилиндрического участка и радиус тороидального участка, соответственно, равны 0,2÷0,6 и 0,4÷0,8 толщины стенки трубной заготовки, при этом зазоры между внутренней поверхностью трубной заготовки и оправкой при формообразовании наружных и внутренних утолщений задают, соответственно, равными (0,01÷0,1)t и (0,15÷0,5)t, где t (мм) - толщина стенки трубной заготовки.
Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет:
- формоизменения трубной заготовки на основном и сопрягаемом участках, на участках с наружными и внутренними утолщениями и на участках входа и выхода деформирующих роликов, которые перемещают на участках входа по траектории в виде выпукло-вогнутых дуг окружности, а на участках выхода в виде вогнуто-выпуклых дуг окружности обеспечить плавное нарастание и убывание деформации при входе и выходе и ликвидировать «краевой эффект», то есть явление гофрообразования и выпучивания металла в зонах входа и выхода роликов, и исключить налипание металла на ролики, так как в момент входа в заготовки и выхода из заготовки ролики перемещают по выпуклой траектории с углом наклона касательной к траектории, равной нулю;
- угла наклона касательной к дугам окружностей в зоне перегиба в пределах 5÷30° обеспечить высокую устойчивость процесса формоизменения, точность и качество обрабатываемой поверхности, значение угла наклона касательной к дугам в зоне перегиба - зоны соединения дуг в пределах 5÷30° оптимально, так как при угле менее 5° возрастает длина участков входа и выхода и снижается коэффициент использования металла, а при значении угла более 30° снижается плавность нарастания деформации, что повышает вероятность появления гофр и налипания металла на участках входа и выхода роликов;
- формоизменения на участках сопряжения трубной заготовки по радиусу на менее одной толщины стенки трубной заготовки повысить устойчивость процесса формоизменения, качество поверхности и точность геометрических размеров на этих участках, так как на участках сопряжения различных поверхностей возникают гофры и выпучивание металла из-за неравномерности деформаций, то формированием этих участков по радиусу обеспечивают плавное нарастание деформации вдоль линий тока металла, то есть вдоль образующей оправки, и этим исключают появление гофр и выпучиваний, а при меньших радиусах сопряжений - менее одной толщины стенки заготовки из-за резкого изменения характеристик течения металла на этих участках, по результатам экспериментальных работ, возникает выпучивание металла;
- формоизменение внутренних утолщений трубной заготовки роликами с профилем рабочей поверхности в виде сочетания конических, тороидальных и цилиндрического участков - обеспечить высокую устойчивость процесса формообразования, и за счет этого повысить качество обработанной поверхности и точности размеров, так как наличие цилиндрического участка при вершине профиля и тороидальных участков, сопрягаемых с цилиндрическими и коническими участками передней и задней поверхности ролика, позволяет разглаживать обрабатываемую поверхность и создавать радиальное течение металла к оправке, что определяет точность геометрической формы внутреннего утолщения и качество обрабатываемой поверхности;
- выполнение профиля рабочей поверхности роликов с длиной цилиндрического и радиусом тороидального участка, соответственно, равными 0,2÷0,6 и 0,4÷0,8 толщины стенки трубной заготовки - повысить частоту и точность обрабатываемой поверхности, так как тороидальная и цилиндрическая поверхность вершины профиля разглаживают неровности обрабатываемой поверхности, значения, соответственно, 0,2÷0,6 и 0,4÷0,8 толщины стенки заготовки оптимальны, так как при меньших и больших значениях чистота поверхности ухудшается, а при менее 0,3 и 0,4 толщины стенки возникают винтовые углубления, при более 0,6 и 0,8 толщины стенки не формируются внутренние утолщения из-за увеличения площади контакта в очаге деформации и отсутствия течения металла к оправке;
0
0
0
0
0
0
0
0
0
- выбора зазоров между внутренней поверхностью трубной заготовки и оправкой при формообразовании наружных и внутренних утолщений в пределах, соответственно, равных (0,01÷0,1)t и (0,15÷0,5)t, где t (мм) - толщина стенки трубной заготовки, обеспечить устойчивость процесса деформирования, так как при формообразовании наружных утолщений при зазоре менее 0,01t (мм) возрастают силы трения, что приводит к образованию поперечных гофр, а при зазоре более 0,01t (мм) ухудшается частота поверхности и снижается точность размеров из-за появления продольных гофр, при формообразовании внутренних утолщений, равных (0,15÷0,5)t, обеспечить устойчивость процесса формообразования внутреннего утолщения, так как в этом случае происходит ротационная вытяжка и ротационный обжим участка заготовки с утонением стенки, поэтому при уменьшении зазора менее 0,15t (мм) возрастает количество переходов и трудоемкость изготовления оболочек, а при зазоре более 0,5t (мм) уменьшается течение металла в радиальном направлении, в результате отсутствует контакт внутренней поверхности заготовки с оправкой, что приводит к образованию гофр, то есть процесс формообразования внутренних утолщений с зазором более 0,5t неустойчив;
Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения, позволяют, в частности, за счет:
- формоизменения трубной заготовки на участках входа и выхода роликов с величиной подачи и скорости вращения, составляющих 10÷20% величины подачи и скорости вращения на основном участке, повысить устойчивость процесса формоизменения на этих участках, которая выражается, в результате снижения скорости деформации, в предупреждении на этих режимах налипания частиц металла на рабочую поверхность роликов, что повышает чистоту поверхности обрабатываемой заготовки; режимы обработки - величина подачи и скорость вращения, составляющие, соответственно, 10÷20% величины подачи и скорости вращения на основном участке, являются оптимальными для участков входа и выхода роликов, определены опытным путем: при значениях более 20% ухудшается чистота поверхности из-за увеличения налипания металла на ролики, при значениях менее 10% снижается производительность процесса формообразования;
- формоизменения трубной заготовки на всех участках обрабатываемой поверхности с соотношением величины скорости вращения заготовки к подаче в пределах 0,6÷0,95 повысить устойчивость процесса формоизменения, сущность которой выражается в том, то при таких соотношениях режимов снижаются вибрации системы СПИД и ликвидируются резонансные явления и, в конечном результате, повышается чистота обрабатываемой поверхности, и, по мнению заявителей, по результатам проведенных исследований и экспериментальных работ такое соотношение является оптимальным с точки зрения снижения амплитуды и частоты колебаний инструмента - деформирующих роликов; так как при изменении этого соотношения в ту или другую сторону чистота поверхности обрабатываемой заготовки ухудшается, что выражается в увеличении высоты микронеровностей, точность геометрических размеров также снижается из-за появления волнистости и мелких, а при резонансе и крупных гофр;
- формоизменения трубной заготовки на последнем переходе при утонении стенки со степенью деформации, составляющей 0,6÷0,9 суммарной степени деформации, повысить устойчивость процесса формообразования, так как последний переход является наиболее ответственным и формирует окончательные размеры оболочки по диаметру и толщине стенки, то перераспределяя деформацию таким образом до 0,6÷0,9 суммарной деформации, то есть в сторону увеличения по сравнению с предыдущим (или предыдущими переходами), повышают точность геометрических размеров, то есть такое значение степени деформации на последнем переходе является оптимальным: при уменьшении менее 0,6 суммарной степени деформации точность геометрических размеров снижается ввиду того, что возникает явление «раскатки», которое представляет собой увеличение диаметра из-за снижения усилий прокатки, а при более 0,9 суммарной степени деформации возрастают усилия прокатки, что приводит к снижению точности геометрических размеров и повышает вероятность образования гофр и трещин;
- формоизменения трубной заготовки на последнем переходе с величиной подачи и скорости вращения заготовки, составляющих 0,6÷0,99 величины подачи и скорости вращения на предыдущих переходах повысить устойчивость процесса формоизменения, точность геометрических размеров и качество обрабатываемой поверхности, так как степень деформации на последнем переходе выше, чем на предыдущих переходах, то задавая подачу и скорость вращения заготовки 0,6÷0,99 величины подачи и скорости вращения на предыдущих переходах, получают точные размеры и высокое качество поверхности; значения подачи и скорости вращения заготовки 0,6÷0,99 величины подачи и скорости вращения предыдущих переходов являются оптимальными, так как при значениях подачи и скорости менее 0,6 величины подачи и скорости на предыдущих переходах ухудшается качество поверхности и снижается точность обрабатываемых заготовок из-за явления «раскатки», а при значениях подачи и скорости более 0,99 величины подачи и скорости на предыдущих переходах возрастают усилия прокатки, что приводит к появлению гофр и трещин;
- формоизменения трубной заготовки на участках сопряжения с величиной скорости и подачи, составляющей, соответственно, 0,5÷0,75 величины скорости и подачи на основном участке, повысить устойчивость процесса формоизменения, точность геометрических размеров и качество обработанной поверхности, так как на участках сопряжения из-за неравномерности деформации на перегибах образующей на этих участках возникают выпучивания металла, то уменьшая скорость и подачу до указанных значений, снижают этим скорость деформации при одновременном сохранении усилий деформирования и, в результате, ликвидируют появление выпучиваний и гофр на этих участках, значения 0,5÷0,75 являются оптимальными: при уменьшении и увеличении этих значений за данные пределы возникают, соответственно, и явления раскатки и выпучивания;
- утонения стенки при формообразовании внутренних утолщений трубной заготовки со степенью деформации, составляющей 0,1÷0,4 суммарной степени деформации основного участка, обеспечить устойчивость процесса деформирования, так как процесс формообразования внутренних утолщений заключается в одновременном действии ротационной вытяжки и ротационного обжима с утонением стенки, то утонение стенки со степенью деформации менее 0,1 суммарной степени деформации потребует увеличения количества переходов, а при утонении со степенью деформации более 0,4 суммарной степени деформации возникает выпучивание металла на участке деформирования из-за неравномерности течения металла в зоне торцевого упора оправки;
- выбора величины подачи и скорости вращения при формообразовании внутренних утолщений трубной заготовки, составляющей 0,5÷0,9 величины подачи и скорости вращения на предыдущих переходах, обеспечить высокое качество обрабатываемой поверхности и точность геометрической формы, так как процесс получения внутренних утолщений обусловлен течением металла как в радиальном, так и осевом направлении в результате одновременной ротационной вытяжки и ротационного обжима на участке формообразования внутреннего утолщения, поэтому, по результатам опытных работ, уменьшая режимы обработки - величину подачи и скорости вращения в пределах 0,5÷0,9 величины подачи и скорости вращения предыдущих переходов - повышают устойчивость процесса формоизменения, при значениях подачи и скорости менее 0,5 и более 0,9 величины подачи и скорости предыдущих переходов возникают, соответственно, явление раскатки с увеличением наружного диаметра и неполное заполнение металлом объема утолщения в зазоре между внутренней поверхностью заготовки и оправкой.
Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизны».
Исследуя уровень техники в ходе проведения патентного поиска по всем видам сведений, доступных в странах бывшего СССР и зарубежных странах, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного на сегодня уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
0
0
0
Сущность изобретения заключается в том, что в способе ротационной вытяжки тонкостенных оболочек с утолщениями, включающем установку трубной заготовки на оправку, фиксацию на оправке и воздействие на нее деформирующими роликами за один или несколько переходов, в отличии от прототипа, согласно изобретению формоизменение трубной заготовки осуществляют на основном и сопрягаемом участках, на участках с наружными и внутренними утолщениями и на участках входа и выхода деформирующих роликов, которые перемещают на участках входа по траектории в виде выпукло-вогнутых дуг окружности, а на участках выхода в виде вогнуто-выпуклых дуг окружности, при этом угол наклона касательной к дугам окружностей в зоне перегиба задают в пределах 5÷30°, формоизменение на участках сопряжения трубной заготовки осуществляют по радиусу не менее одной толщины стенки трубной заготовки, а формоизменение внутренних утолщений трубной заготовки осуществляют роликами с профилем рабочей поверхности в виде сочетания конических, тороидальных и цилиндрического участков, причем длина цилиндрического участка и радиус тороидального участка соответственно равны 0,2÷0,6 и 0,4÷0,8 толщины стенки трубной заготовки, при этом зазоры между внутренней поверхностью трубной заготовки и оправкой при формообразовании наружных и внутренних утолщений задают, соответственно, равными (0,01÷0,1)t и (0,15÷0,5)t, где t(мм) - толщина стенки трубной заготовки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено: на фиг.1 - процесс ротационной вытяжки оболочек с образованием наружных утолщений на концах заготовок, исходная заготовка и заготовка после первого и последнего перехода ротационной вытяжки; на фиг.2 - процесс ротационной вытяжки и ротационного обжима с образованием внутреннего утолщения на конце заготовки; на фиг.3 - профиль роликов для формообразования внутренних утолщений; на фиг.4 - процесс ротационной вытяжки и обжима оболочек со сложным профилем с образованием наружных и внутренних утолщений на концах заготовок и с участками сопряжений на основном участке обработки; на фиг.5 - траектория роликов при входе и выходе в заготовку и из заготовки; на фиг.6 - процесс ротационной вытяжки оболочек с периодическим профилем с образованием наружных чередующихся утолщений и утонений.
На фиг.1 изображена заготовка 1 в исходном положении, заготовка 2 после первого перехода ротационной вытяжки, заготовка 3 после последнего перехода, ролики 4, оправка 5, а также:
1
Δ (мм) - зазор между внутренней поверхностью заготовки и оправкой при формообразовании наружных утолщений,
0
t (мм) - толщина стенки исходной заготовки,
1
t(мм) - толщина стенки заготовки после первого перехода ротационной вытяжки,
2
t (мм) - толщина стенки заготовки после последнего перехода ротационной вытяжки,
k
t (мм) - толщина наружных утолщений,
k
L (мм) - длина наружных утолщений,
вх.
L (мм) - длина участка входа роликов в заготовку,
вых.
L (мм) - длина участка выхода роликов из заготовки,
o.
L (мм) - длина основного участка,
oc
F. (мм/мин) - осевая подача роликов,
R
F(мм/мин) - радиальная подача роликов,
-1
S (мин) - скорость вращения оправки с заготовкой.
На фиг.2 изображена заготовка 1, полученная ротационной вытяжкой, установленная на оправке 3, и заготовка 2 после формообразования внутреннего утолщения;
4(I) - положение роликов в начале процесса формообразования внутреннего утолщения;
4(II) - положение роликов в конце процесса формообразования внутреннего утолщения;
2
t (мм) - толщина стенки основного участка заготовок,
k
t (мм) - толщина стенки наружных утолщений,
(мм) - толщина стенки внутреннего утолщения,
(мм) - длина внутреннего утолщения,
2
Δ (мм) - зазор между внутренней поверхностью заготовки и оправкой.
°
°
На фиг.3 изображен профиль роликов для формообразования внутренних утолщений с коническими участками АВ и EF передней и задней поверхностей, сопряженными с тороидальными участками ВС и DE радиусами R (мм), и с цилиндрическим участком CD длиной L (мм) вершины профиля, передним углом β и задним углом γ - углами наклона передней и задней конических поверхностей.
0
На фиг.4 изображено: заготовка 1 толщиной t (мм), установленная на оправке 5, заготовка 2 после ротационной вытяжки и ротационного обжима с наружными утолщениями на концах заготовки;
1
Δ (мм) - зазор между внутренней поверхностью заготовки и оправкой при формообразовании наружного утолщения на цилиндрическом участке АВ,
1
t(мм) - толщина стенки заготовки после первого перехода ротационной вытяжки,
k
t (мм) - толщина стенки наружных утолщений на участке АВ и FG,
k
L (мм) - длина наружных утолщений на участках АВ и FG,
0
L (мм) - длина основного участка обработки BF,
c.
c
L (мм) - длина сопрягаемых участков обработки CD и EF с радиусами R (мм);
заготовка 3 после последнего перехода ротационной вытяжки и ротационного обжима с образованием внутреннего утолщения на конце заготовки,
2
Δ (мм) - зазор между внутренней поверхностью заготовки и оправкой при формообразовании внутреннего утолщения на участке GH,
2
t (мм) - толщина стенки после последнего перехода ротационной вытяжки,
(мм) - толщина стенки внутреннего утолщения на участке GH,
(мм) - длина внутреннего утолщения на участке GH.
o
R
вх
вых
0
1
0
1
-1
°
На фиг.5 изображен процесс ротационной вытяжки на участках входа и выхода роликов в заготовку и из заготовки с криволинейной выпукло-вогнутой и вогнуто-выпуклой траекторией перемещения роликов 4, где F (мм/мин) - осевая подача роликов, F (мм/мин) - радиальная подача роликов, S (мин) - скорость вращения заготовки, L (мм) - длина участка входа, L (мм) - длина участка выхода, α - угол наклона касательной к выпукло-вогнутым и вогнуто-выпуклым участкам кривых в зоне перегиба, (.) 0 - точка перегиба выпукло-вогнутых и вогнуто-выпуклых участков, R (мм) - радиус кривизны участков, t (мм) толщина стенки заготовки, t (мм) - толщина стенки заготовки основного участка после переходов ротационной вытяжки, Δt (мм) - глубина ротационной вытяжки, Δt=t-t (мм), Н (мм) - высота точки перегиба.
1
0
1
2
k
k
вх.
вых.
oc
R.
-1
На фиг.6 изображена заготовка 1 в исходном положении, заготовка 2 после первого перехода ротационной вытяжки, заготовка 3 после последнего перехода, ролики 4, оправка 5, Δ(мм) - зазор между внутренней поверхностью заготовки 1 и оправкой 5; t(мм) - толщина стенки исходной заготовки, t(мм) - толщина стенки заготовки после первого перехода ротационной вытяжки, t (мм) - толщина стенки периодических утонений заготовки после последнего перехода ротационной вытяжки, t (мм) - толщина стенки наружных концевых утолщений,  (мм) - толщина стенки периодических утолщений заготовки после последнего перехода ротационной вытяжки, L (мм) - длина наружных концевых утолщений,  (мм) - длина периодических утолщений основного участка обработки, L (мм) и L (мм) - длина участков входа и выхода роликов на переходах ротационной вытяжки,  (мм) - длина периодических утонений основного участка обработки, F. (мм/мин) - осевая подача роликов, F (мм/мин) - радиальная подача роликов, S (мин) - скорость вращения заготовки.
Длина основного участка обработки складывается из суммы длин периодически повторяющихся утолщений и утонений:  (мм).
Вышеописанный способ ротационной вытяжки тонкостенных оболочек осуществляется следующим образом.
Исходную заготовку 1 (фиг.1, 4, 6), изготовленную из трубы путем резки ее на мерные заготовки и механической обработки, устанавливают на оправку 5, закрепленную в шпинделе давильно-раскатного станка.
Затем заготовку фиксируют на оправке, прижимая уступ заготовки к торцевой поверхности оправки. (Прижим на чертеже условно не показан).
-1
°
R
oc
вх
Задают вращение шпинделя S (мин) с оправкой 1 и заготовкой 5, радиальное перемещение роликов 4 - F (мм/мин) и осевое перемещение - F (мм/мин) с внедрением роликов 4 на участке входа L (мм) по криволинейной траектории в виде выпукло-вогнутых участков кривых с радиусом кривизны R (мм) и углом наклона касательной α в зоне перегиба - в точке 0 (фиг.5).
0
oc
-1
За несколько переходов формируют основной участок длиной L (мм) со степенью деформации Е (%) со скоростью вращения S (мин) и осевой подачей F (мм/мин).
1
1
oc
1
k
k
На первом переходе формируют поверхность основного участка с толщиной стенки t (мм), со степенью деформации E (%), и осевой подачей F (мм/мин), а также наружные утолщения с зазором Δ(мм), толщиной t (мм) и длиной L (мм).
2
oc
k
2
-1
На последнем переходе формируют основной участок со степенью деформации Е (%), со скоростью вращения S (мин), с осевой подачей F (мм/мин) с наружными концевыми утолщениями t (мм) (фиг.1, 4), с наружными чередующимися утолщениями  (мм) и утонениями t (мм) (фиг.6).
вых
°
Выход роликов из заготовки на всех переходах ротационной вытяжки на участках L (мм) осуществляют также по криволинейной траектории в виде вогнуто-выпуклых участков кривых с радиусом R (мм) и углом наклона касательной α в зоне перегиба (фиг.5).
Формоизменение заготовки на участках входа и выхода роликов выполняют с величиной подачи и скорости вращения, составляющих 10÷20% от величины подачи и скорости вращения на основном участке обработки.
2
k
3
ос3
3
-1
Затем формируют внутреннее концевое утолщение (фиг.2, 4) толщиной  (мм) и длиной  (мм) с зазором Δ (мм) между внутренней поверхностью заготовки и оправкой ротационной вытяжкой и ротационным обжимом концевого участка заготовки с утонением стенки с t (мм) до  (мм) со степенью деформации Е (%), с подачей F (мм/мин) и скоростью вращения заготовки S (мин).
Физический смысл формоизменения участка с получением внутреннего утолщения по мнению заявителей заключается в следующем.
2
k
Одновременно осуществляют ротационную вытяжку и ротационный обжим полученного на предыдущих переходах наружного концевого утолщения с течением металла в радиальном и осевом направлении, при этом металл заполняет объем, образованный зазором Δ (мм) на длине  (мм) с одновременным утонением стенки с t (мм) до  (мм).
Обработку осуществляют роликами с профилем рабочей поверхности в виде сочетания конических (АВ и EF) тороидальных (ВС и DE) с радиусом R (мм) и цилиндрического (CD) длиной L (мм) участков (фиг.3).
0
c
oc
oc
-1
При ротационной вытяжке тонкостенных оболочек сложного профиля с криволинейной поверхностью основного участка BF длиной L (мм) (фиг.4) на сопрягаемых участках CD и EF длиной L (мм) формообразование выполняют по радиусу R (мм) со скоростью вращения S (мин) и величиной подачи F (мм/мин), составляющими 0,5÷0,75 скорости S и подачи F на основном участке.
После окончания формоизменения отводят ролики в исходное положение, останавливают вращение оправки с заготовкой, освобождают заготовку от фиксации и удаляют ее с оправки.
Пример 1
Заготовку ⌀133 мм толщиной стенки 13 мм после резки труб на заготовки и механической обработки устанавливают на оправку, фиксируют ее на оправке и воздействуют на нее деформирующими роликами, за два перехода формируют основной и участки с наружными утолщениями.
1
ос
0
1
к
к
к
к
-1
На первом переходе на давильно-раскатном станке (фиг.1) выполняют ротационную вытяжку заготовки со степенью деформации E=44,3% со скоростью вращения S=200 мин, осевой подачей F=240 мм/мин, при исходной толщине заготовки t=7 мм получают стенку t=3,9 мм и два наружных концевых утолщений толщиной t=7 мм и t=4,5 мм, длиной L=120 мм и L=55 мм.
-1
ос
2
Затем выполняют второй переход ротационной вытяжки со скоростью вращения S=185 мин и подачей F=230 мм/мин, со степенью деформации Е=56,4%.
2
к
к
к
к
На втором переходе получают стенку t=1,7 мм и два наружных концевых утолщения толщиной t=7 мм и t=4,5 мм, длиной L=75 мм и L=85 мм.
Суммарная степень деформации при ротационной вытяжке основного участка
Затем выполняют ротационную вытяжку и ротационный обжим (фиг.2) с получением внутреннего концевого утолщения толщиной , длиной  со степенью деформации .
Формообразование внутреннего утолщения выполняют деформирующими роликами (фиг.3) с профилем в виде сочетания конических передней и задней поверхности с углами наклона β=15°, γ=15°, тороидальных поверхностей с радиусом R=5 мм, цилиндрической поверхности длиной L=2 мм.
вх
вых
к
На участках входа и выхода ролики перемещают по криволинейной траектории (фиг.5) в виде выпукло-вогнутых и вогнуто-выпуклых дуг окружности с радиусом R=144 мм, L=L=40 мм, L=19,9 мм, с углом наклона α°=8° касательной к дугам в зоне (точка 0) перегиба, Δt=4,5-1,7=2,8 мм, Н=2,8/2=1,4 мм, угол α° находится в пределах 5÷30°, что соответствует формуле изобретения.
На основании экспериментальных данных при различных углах наклона касательной к дугам в зоне перегиба траектории составлена таблица.
Таблица
Е%
α°
Δt (мм)
Н (мм)
R (мм)
L<sub>к</sub> (мм)
L<sub>вх</sub>/L<sub>вых</sub> (мм)
60
3°
1021,6
53,4
106,9
5°
2,8
1,4
371,25
32,3
64,72
15°
41,1
10,4
21,3
30°
10,45
4,84
10,44
45°
4,78
2,8
6,76
вх
вых
Анализ результатов, приведенных в таблице, показывает, что при угле α менее 5° и более 30° длины участков входа и выхода L, L (мм) и радиусы дуг R (мм), соответственно, резко (~ в 2 раза) возрастают и уменьшаются, что при α>30° нарушается плавность входа и выхода роликов в заготовку, а при α<5° возрастает длина входа и выхода роликов, а это уменьшает коэффициент использования металла (увеличивает расход металла).
Таким образом, оптимальное значение угла наклона касательной к дугам в зоне перегиба (точка 0) траектории на участках входа и выхода роликов, обеспечивающее высокое качество поверхности и точность геометрических размеров, находится в пределах (5÷30)°, что и отражено в формуле изобретения.
Ротационную вытяжку на участках входа и выхода роликов выполняют с величиной подачи и скорости вращения
ос
-1
- на первом переходе F=36 мм/мин, S=30 мин, что составляет 15% величины подачи и 15% величины скорости вращения на основном участке:  и  и соответствует формуле изобретения /10÷20% величины подачи и скорости вращения на основном участке/.
oc
-1
- на втором переходе F=34,5 мм/мин, S=27,7 мин, что составляет  и  и соответствует формуле изобретения /10÷20% подачи и скорости на основном участке/.
Ротационную вытяжку на всех участках обрабатываемой поверхности выполняют:
oc
oc
-1
-1
- на участках входа и выхода на первом переходе F=36 мм/мин, S=30 мин с отношением величины скорости вращения к подаче S/F=0,83 мм;
oc
oc
-1
-1
- на участках входа и выхода на втором проходе F=34,5 мм/мин, S=27,7 мин, S/F=27,7/34,5=0,8 мм;
ос
oc
-1
-1
- на основном участке (F=240 мм/мин, S=200 мин) первого перехода S/F=200/240=0,83 мм;
ос
oc
-1
-1
- на основном участке второго перехода (F=230 мм/мин, S=185 мин), S/F=185/230=0,8; что соответствует формуле изобретения: S/F=(0,6÷0,95) мм, на всех участках обрабатываемой поверхности.
2
Σ
2
Σ
2
Σ
Степень деформации на втором проходе Е=56,4%, что при суммарной деформации E=75,7% составляет Е=56,4/75,7=0,75E, что также соответствует формуле изобретения (Е=(0,6÷0,9)E).
Ротационную вытяжку на втором переходе выполняют с величиной подачи и скоростью вращения заготовки:
ос2
2
-1
- на участках входа и выхода роликов F=34,5 мм/мин, S=27,7 мин, составляющих, соответственно, величины подачи и скорости первого перехода:
oc2
oc1
2
1
oc2
oc1
F/F=34,5/36=0,96, S/S=27,7/30=0,92, F=0,96F S2=0,92S1;
ос2
2
-1
- на основном участке F=230 мм/мин, S=185 мин, составляющих, соответственно, величины подачи и скорости первого перехода:
oc2
oc1
oc2
oc1
F/F=230/240=0,96, F=0,96F
2
1
S/S=185/200=0,92, S2=0,92S1,
2
1
2
1
что соответствует формуле изобретения F=(0,6÷0,99)F, S=(0,6÷0,99)S.
0
0
0
0
0
Формообразование внутреннего утолщения (фиг.2) осуществляют одновременно ротационной вытяжкой и ротационным обжимом роликами с длиной цилиндрического поверхностью вершины профиля (фиг.3) L=2 мм, что составляет 2/7=0,29, т.е. L=0,29t, где t=7 мм - толщина стенки заготовки, и соответствует формуле изобретения L=(0,2÷0,6)t, и с радиусом тороидальной поверхности R=5 мм, что составляет 5/7=0,71, то есть R=0,71t и соответствует формуле изобретения R=(0,4÷0,8)t.
1
2
0
0
1
0
2
0
Формообразование наружных и внутренних утолщений осуществляют методами ротационной вытяжки и ротационного обжима с зазорами между внутренней поверхностью заготовки и оправкой, равными, соответственно, Δ=0,5 мм и Δ=1,8 мм, что при толщине стенки заготовки 7 мм составляет 0,071t и 0,26t (0,5/7=0,071 и 1,8/7=0,26), что соответствует формуле изобретения (Δ=(0,01÷0,1)t и (Δ=(0,15÷0,5)t).
к
к
Σ
Формообразование внутреннего утолщения (фиг.2) осуществляют при утонении стенки с t=7 мм и t=5,75 мм со степенью деформации , что при суммарной деформации ротационной вытяжки на основном участке E=75,7% составит , что соответствует формуле изобретения .
oc3
3
oc3
oc2
3
2
oc3
2
3
2
-1
Формообразование внутреннего утолщения (фиг.2) осуществляют с величиной осевой подачи F=125 (мм/мин) и скорости вращения S=112 (мин), что составляет F/F=125/230=0,54, S/S=112/184=0,61 и соответствует формуле изобретения: F=(0,5÷0,9)F, S=(0,5÷0,9)S.
После окончания обработки останавливают вращение шпинделя с оправкой, ролики отводят в исходное положение, освобождают заготовку от фиксации и удаляют ее с оправки.
Пример 2
Заготовку из горячекатаных стальных труб ⌀127х7 мм после резки труб на заготовки и механической обработки устанавливают на оправку, фиксируют и подвергают ротационной вытяжке и ротационному обжиму роликами за 2 перехода (фиг.4).
с
с
На первом и втором переходе выполняют ротационную вытяжку на цилиндрическом участке ВС, ротационный обжим на профильном участке DE и сопрягаемых участках CD и EF по радиусам R=50 мм и R=25 мм и ротационную вытяжку с ротационным обжимом на участке FG и GH с образованием наружного утолщения на участке АВ и внутреннего - на участке GH.
0
c
c
с
0
При толщине стенки заготовки t=5 мм радиусы сопрягаемых участков R=50 мм и R=25 мм превышают толщину стенки заготовки, что соответствует формуле изобретения (R>t).
Скорость вращения заготовки и подача:
1
oc1
-1
на 1 переходе - на основном участке S=100 мин, F=110 мм/мин,
c
c
-1
- на сопрягаемых участках S=60 мин, F=66 мм/мин,
2
oc2
-1
на 2 переходе - на основном участке S=90 мин, F=100 мм/мин,
c
c
-1
- на сопрягаемых участках S=54 мин, F=60 мм/мин,
c
1
c
oc1
то есть S/S=60/100=0,6, F/F=66/110=0,6 - на первом переходе
c
2
c
ос2
S/S=54/90=0,6, F/F=60/100=0,6 - на втором переходе,
с
с
ос
что соответствует формуле изобретения: S=(0,5÷0,75)S и F=(0,5÷0,75)F.
Соотношения скоростей и подачи на переходах:
2
1
oc2
oс1
2
1
oc2
oc1
S/S=90/100=0,9, F/F=100/110=0,91, что соответствует формуле изобретения: S=(0,6÷0,99)S и F=(0,6÷0,99)F.
Суммарная степень деформации
Степень деформации на 1 переходе
Степень деформации на 2 переходе ,
2
Σ
2
Σ
что составляет Е/E=44/72=0,61 и соответствует формуле изобретения Е=(0,6÷0,9)Е.
1
oc1
2
oc2
-1
-1
-1
Отношение величины скорости вращения к величине подачи на первом переходе S/F=100/110=0,91 (мм), на втором переходе S/F=90/100=0,9 (мм), что соответствует формуле изобретения: S/F=(0,6÷0,95) мм.
Соотношения степеней деформаций и режимов обработки при формообразовании основного участка обработки и внутреннего утолщения, соотношения режимов ротационной вытяжки на участках входа и выхода роликов и на основном участке, соотношения величин зазоров между внутренней поверхностью заготовки и оправкой при формообразовании наружных и внутренних утолщений, траектория перемещения роликов при входе и выходе и соотношения размеров профиля роликов см. Пример 1.
Пример 3
Заготовку из стальных горячекатаных труб ⌀325x18 после резки на заготовки, калибровок по наружному диаметру и механической обработки устанавливают на оправку, зажимают и подвергают ротационной вытяжке за два перехода (фиг.6).
0
1
1
На первом переходе выполняют ротационную вытяжку при исходной толщине стенки t=11,12 мм до t=6,5 мм со степенью деформации Е=41,6%.
2
2
На втором переходе выполняют ротационную вытяжку периодического профиля в виде чередующихся утолщений и утонений с толщины  до t=2,2 мм со степенью деформации Е=66,1%.
Суммарная степень деформации .
2
Σ
, что соответствует формуле изобретения Е=(0,6÷0,9)Е.
1
oc1
2
oc2
-1
-1
На первом переходе S=110 мин, F=140 мм/мин, на втором переходе S=100 мин, F=130 мм/мин.
2
1
oc2
oc1
2
1
2
1
S/S=100/110=0,9, F/F=130/140=0,93, что соответствует формуле изобретения: F=(0,6÷0,99)F, S=(0,6÷0,99)S.
1
oc1
-1
На первом переходе S/F=110/140=0,785 (мм), на втором переходе
2
oc2
-1
-1
S/F=100/130=0,769 (мм), что соответствует формуле изобретения: S/F=(0,6÷0,95) мм.
Формирование внутреннего утолщения осуществляют так же, как в примере 1.
Соотношение степеней деформации и режимов обработки при получении внутренних утолщений, соотношения режимов ротационной вытяжки на участках входа и выхода роликов и на основном участке обработки, соотношения зазоров между внутренней поверхностью заготовки и оправкой, траектория перемещения роликов при входе и выходе, соотношения размеров профиля роликов см. пример 1.
Выполнение способа ротационной вытяжки тонкостенных оболочек в соответствии с изобретением обеспечивает возможность изготовления тонкостенных деталей цилиндрической и сложной формы с наружными, внутренними и концевыми утолщениями и деталей с периодическим профилем с высоким качеством обработанной поверхности, точностью геометрической формы и с высоким коэффициентом использования металла.
Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных образцов деталей, изготовленных по данному способу.
В настоящее время разработана техническая документация, проведены испытания, намечено серийное производство оболочек по предлагаемому способу.