Торцевая раскатка фланцевых деталей трубных соединений

УДК 621.771

Торцевая раскатка фланцевых деталей трубных соединений

Л. Б. Аксенов, Н. М. Елкин, С. Н. Кункин

Введение

В различных отраслях промышленности используется большое количество деталей типа фланцев. Номенклатура этих деталей весьма многообразна и регламентируется различными стандартами как в нашей стране, так и за рубежом. Для производства фланцевых деталей применяются различные технологии, но все они не отличаются высоким коэффициентом использования металла (КИМ). Многие технологии производства фланцев требуют применения технологии горячей штамповки с последующей дополнительной обработкой [1].

Многие годы на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета развивается научное направление, в рамках которого разрабатываются процессы и оборудование для торцевой раскатки деталей для машиностроения [2, 3]. Технология торцевой раскатки предназначена для изготовления осесиммет-ричных деталей из прутковых или трубных заготовок. Эта технология относится к процессам обработки металлов давлением с локальной деформацией обрабатываемого металла. В контакте с деформирующим инструментом находится только часть заготовки, что снижает площадь контакта, величину контактных напряжений и, соответственно, необходимое усилие деформирования.

Наибольшее распространение получили процессы торцевой раскатки заготовок в горячем состоянии. В этом случае пластичность металла выше, формообразование происходит при малом технологическом усилии. Однако процессы горячего деформирования требуют значительных расходов на нагрев, а получаемые детали покрыты окалиной и нуждаются в дальнейшей механической обработке, поэтому применение этих процессов не столь эффективно в промышленности. Большими преимуществами обладает холодная торцевая раскатка, не требующая нагрева и отличающаяся высокой точностью и хорошим каче-

ством обрабатываемых поверхностей. Естественно, что при холодной раскатке технологическое усилие будет выше, чем при горячей раскатке, а пластичность деформируемого металла ниже, что требует более точного определения напряженно-деформированного состояния заготовки и исчерпания ресурса пластичности [4-7].

В проектировании машин для торцевой раскатки технологическим проблемам обычно уделяется мало внимания, что неправильно, так как технологические машины должны обеспечивать не только движение инструмента и заготовки, но и соблюдать схему деформации, необходимую для формообразования детали.

Традиционный метод проектирования технологии обычно определяется в зависимости от имеющейся машины для раскатки и геометрии детали, которая должна быть изготовлена. Такой метод не всегда оптимален, поскольку предоставляет мало возможностей для изменения параметров машин и оптимизации технологического процесса. В этом случае выбор технологии раскатки и типа инструмента во многом ограничен параметрами машины.

Для промышленных предприятий главная цель — это собственное производство деталей, и поэтому они заинтересованы в приобретении машин, которые в наибольшей степени приспособлены для указанных целей, гораздо меньше их заинтересованность в приобретении универсальных машин, которые достаточно дороги и могут оказаться неоптимальными для конкретного производства.

Поэтому выбор типа машины правильнее начинать с анализа геометрии детали, которую предполагается произвести методом торцевой раскатки. Затем определить технологическую схему проектирования и только после этого провести морфологический анализ и перейти к синтезу кинематической схемы машины. Проектирование согласно последовательности «деталь ^ технология ^ инструмент ^ машина» было весьма успешно реализовано в массовом промышленном

№ 3 (63)/2011

аг

МЕШ

ООБРАБОТ

Рис. 1. Эскиз детали «фланец»

производстве деталей одного типа и очень близких типов. Как оказалось, это создает предпосылки для расширения оптимального проектирования машин для различных групп изготавливаемых деталей, а следовательно, для повышения эффективности процессов торцевой раскатки. В данной работе приведен пример выбора технологии и машины для раскатки фланцевых деталей по стандартам скандинавских стран и Европейского союза.

Фланцевые детали изготавливаются в основном из марок нержавеющей стали Ро1аги 720, Ро1аг^ 757, ЕЫ 1.4462, а также марок стали по американским стандартам АЕ31 304, АЕ31 316.

Производители труб и трубной арматуры для различных отраслей промышленности хотели бы выпускать фланцы непосредственно из своей основной продукции — сварных труб. Однако широкя&дшпазоны изменения

h/s 3,0

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

Рис. 2. Соотношения геометрических размеров фланцев по различным стандартам:

1 — области соотношений размеров фланцев по стандартам БРв; 2 — кривая, ограничивающая область раскатки по схеме высадки; 3 — кривая, ограничивающая область раскатки по схеме отбортовки

9,0 10,0

b/s

Рис. 3. Схемы раскатки деталей: а — радиальное выдавливание; б — высадка; в — отбортовка и многостадийная высадка; г — многостадийная высадка: Н0 — выставленная часть заготовки; АН — величина обжатия; Н — конечная высота фланца; АХ; — величина осевой подачи заготовки; 0, 1, 2 — стадии раскатки; N — количество стадий высадки

соотношений основных размеров фланцев не позволяют производить данные изделия с помощью одной технологии. Геометрию фланцевых деталей характеризуют основные соотношения к/в и Ь/в, где к — высота фланца; в — толщина стенки трубной заготовки; Ь — ширина фланца (рис. 1). Анализ номенклатуры фланцевых изделий выпускаемых компанией показал, что соотношения основных геометрических размеров фланцев по различным стандартам не позволяют изготавливать их по одной технологии (рис. 2, 3).

Анализ технологических схем раскатки

Выбор схемы раскатки определяется отношением толщины фланца h к толщине стенки трубной заготовки s. Для изготовления фланцев с h/s < 1,2 можно использовать цилиндрические валки или конический валок. Для производства фланцев с соотношением размеров h/s < 1 (стандарт SFS 5343) применяется торцевая раскатка по схеме отбортовки. Фланцы с h/s < 1,2 раскатываются по схе-

ме радиального выдавливания или постадий-ной высадки. Раскатка фланцев с h/s < 1,8 (стандарт SFS 4167-SFS 4170) производится коническим валком.

В результате теоретических и экспериментальных работ по раскатке фланцев по стандартам JA-RO, ANSI были разработаны различные технологические процессы. Данные технологии представлены в таблице. В зависимости от геометрических соотношений h/s допустимо использовать ту или иную технологию. Некоторые технологические схемы раскатки по технологиям, указанным в таблице, представлены на рис. 4, 5.

Анализ технологий и требований к технологическим движениям (см. таблицу) дал возможность сформулировать требования к раскатным машинам и необходимым движениям инструментов. Все машины для торцевой раскатки реализуют одно или несколько движений, определяемых углами Эйлера: нутацию, прецессию, вращение.

Технологии раскатки и варианты использования инструмента

Технология Вариант применения инструмента Валок Отношение толщины фланца h к толщине стенки трубной заготовки s

конический цилиндрический

Отбортовка фланцев 1.1 1.2 + + <1,0 <1,0

Радиальное выдавливание 2.1 2.2 + + <1,2 <1,2

Многостадийная высадка 3.1 3.2 + + <1,2 <1,2

Комбинированная технология (высадка + радиальное выдавливание) 4.1 4.2 + + <1,2 <1,2

Торцовая раскатка фланцев по стандарту ANSI 5.1 5.2 + + <1,2 <1,2

Торцовая раскатка толстых фланцев (с фасонной оправкой) 6.1 + >1,2; <1,8

Торцовая раскатка фланцев по стандарту EN 1092-1 7.1 + >4,0

а) б)

Рис. 4. Торцевая раскатка цилиндрическими валками по схеме отбортовки (технология 1.2):

а — исходное положение инструмента и заготовки:

Н0 — высота выставленной части заготовки; — толщина стенки трубной заготовки; Ъу — наружный диаметр трубы;

б — промежуточное состояние процесса отбортовки); в — конечное положение инструмента и заготвки); г — смещение цилиндрических валков относительно оси вращения заготовки: 8 — величина смещения

Рис. 5. Торцевая раскатка коническим валком по схеме радиального выдавливания (технология 2.1): а — исходное положение инструмента и заготовки; б — промежуточная стадия раскатки; в — положение инструмента и заготовки в конце раскатки

Группа 1. Технологические машины, которые не обеспечивают вращение заготовки. Верхний конический валок имеет наклон относительно оси заготовки. Технологическая схема раскатки состоит из следующих движений инструмента:

• верхний конический валок обкатывает заготовку по торцу;

• движения валка совмещаются с вертикальным перемещением под действием осевой силы.

Исторически эта технологическая схема была первой (рис. 6, а). Взаимное перемещение обкатывающего инструмента вдоль оси заготовки может осуществляться двумя путями:

• инструмент перемещается под действием осевой силы;

• заготовка перемещается под действием осевой силы.

Машины, которые относятся к группе 1, выпускают фирмы Маввеу (Великобритания), РXW (Польша), Schmid (Швейцария). У некоторых машин, принадлежащих к рассматриваемой группе, торец трубной заготовки обкатывается цилиндрическими или коническими валками, которые вращаются вокруг оси заготовки.

Группа 2. Технологические машины, в которых заготовка вращается (рис. 5, б). Отличия заключаются в следующем:

• заготовка имеет привод и вращается вокруг своей оси;

• верхний конический инструмент наклонен по отношению к оси заготовки, он вра-

Рис. 6. Схемы технологических процессов локального деформирования: а — сферодвижная штамповка; б — торцевая раскатка:

1 — ось машины; 2 — прецессия; 3 — ось вращения инструмента; 4 — конический валок; 5 — трубная заготовка

щается вокруг своей оси и обкатывает торец заготовки.

В данной схеме могут быть использованы и цилиндрические валки. Взаимное перемещение обкатного инструмента и заготовки вдоль ее оси вращения допустимо выполнять двумя путями:

• инструмент перемещается под действием осевой силы;

• заготовка перемещается под действием осевой силы.

Машины, входящие в группу 2, имеют ряд преимуществ:

• центр масс верхнего инструмента не вращается относительно вертикальной оси; процесс деформирования можно интенсифицировать путем увеличения скорости вращения заготовки или путем увеличения угла наклона инструмента;

• уменьшаются требования к жесткости станины и к фундаменту;

• снижается уровень шума и опасность усталостных разрушений элементов конструкции ввиду снижения низко- и высокочастотных вибраций.

Раскатную машину можно условно разбить на два технологических узла:

• нижний узел: шпиндель с приводом вращения заготовки, подшипниковые узлы, выталкиватель с усилием подачи заготовки, равным основному технологическому усилию;

• верхний узел с коническим раскатным валком должен иметь:

привод поперечного перемещения конического валка относительно оси заготовки;

привод изменения угла наклона конического валка;

привод вращения конического валка.

Последний привод необходим, когда верхний узел конического валка (включая шпиндель и подшипниковые узлы) обладает большой массой и инерционностью. В этом случае при раскатке фланцев из тонкостенных труб (например, s = 3 мм) небольшого диаметра в начальный момент площадь контакта конического валка с заготовкой имеет минимальную величину и трение на контакте велико. Данное явление может приводить к двум отрицательным последствиям:

• процесс раскатки оказывается невозможен, и заготовка просто сминается коническим валком;

• металл налипает на конический валок, стойкость инструмента будет низкой.

Размеры фланцев D^ по стандартам JA-RO, ANSI, изготавливаемых раскаткой, могут

находиться в диапазоне от 40 до 600 мм. Широкий диапазон размеров и соотношений высоты фланца к исходной толщине стенки трубной заготовки требует различных технологических схем раскатки. Возможны две основные схемы машины для раскатки фланцев:

• машина для раскатки с коническим раскатным валком (рис. 7);

• машина для раскатки цилиндрическими валками (рис. 8).

В целях обеспечения стабильной работы раскатной машины для фланцев с диаметром И больше 270 мм предпочтительнее схема с двумя цилиндрическими валками. В этом случае исключаются большие внецентренные осевые и радиальные нагрузки на подшипниковые узлы. На основе вышесказанного наиболее целесообразным представляется создание гаммы раскатных машин для различных типоразмеров фланцев:

• раскатная машина с коническим раскатным валком и усилием раскатки 1200 кН для фланцев с Ии = 0  160 мм;

—г—I

11

ЕЩ

X

шл.

\

чр

Рис. 7. Схема раскатной машины для фланцев с коническим валком:

1 — ползун; 2 — подшипниковый узел; 3 — привод вращения; 4 — станина; 5 — привод перемещения; 6 — привод наклона валка; 7 — поперечный ролик; 8 — выталкиватель; у — угол наклона конического валка

Рис. 8. Схема раскатной машины с цилиндрическими валками:

1 — ползун; 2 — привод перемещения; 3 — привод вращения; 4 — станина; 5 — поперечный ролик; 6 — подшипниковый узел; 7 — выталкиватель

• раскатная машина с коническим раскатным валком и усилием раскатки 2500 кН для фланцев с = 160  270 мм;

• раскатная машина с цилиндрическими раскатными валками и усилием раскатки 3000 кН для фланцев с Ик = 270   (500-600) мм.

Диапазон изменения угла наклона конического валка у = 0  15°. Количество оборотов шпинделя — 100-200 об/мин. Величина подачи заготовки — 0,1-3,0 мм/мин.

Усилие выталкивателя, осуществляющего подачу заготовки при раскатке по схеме радиального выдавливания, должно быть рассчитано с учетом основного усилия раскатки и сил трения, возникающих при перемещении заготовки в матрице. Требования к системе управления:

• система управления раскатной машиной должна иметь два режима:

режим холостого хода — ускоренное перемещение инструмента; режим рабочего хода — подача инструмента или заготовки в соответствии с технологическим режимом.

• система управления должна учитывать жесткость раскатной машины, чтобы корректировать управляющие сигналы датчи-

ков перемещения. В противном случае величина зазора между верхним раскатным инструментом и матрицей не будет соответствовать величинам, заданным в управляющей программе.

Экспериментальные и теоретические данные по формоизменению, усилию раскатки, предельной деформируемости, полученные в процессе исследований, стали основой для разработки компьютерной программы по проектированию процессов раскатки фланцев.

Выводы

Проектирование технологических процессов торцевой раскатки по схеме «деталь ^ технология ^ инструмент ^ машина» позволяет разрабатывать конкурентоспособные технологии и оборудование для производства фланцевых деталей. Данные принципы проектирования можно использовать для производства изделий различной номенклатуры.

Литература

1. Крук А. Т., Федоркевич В. Ф. Штамповка поковок фланцев трубопроводов на тяжелых кривошипных го-рячештамповочных прессах // Кузнечно-штамповочное производство. 1999. № 6. С. 35-40.

2. Экономичные методы формообразования деталей / Под ред. К. Н. Богоявленского, В. В. Риса. Л.: Лениз-дат, 1984. 144 с., ил.

3. Авдеев В. М., Аксенов Л. Б., Алиев И. С. и др. Изготовление заготовок и деталей пластическим деформированием / Под ред. К. Н. Богоявленского, В. В. Риса, А. М. Шелестеева. Л.: Политехника, 1991. 351 с.: ил.

4. Агеев Н. П. Технологические возможности объемной штамповки обкатыванием на сферодвижном прес-сователе. Классификация процессов // Металлообработка. 2001. № 5. С. 36-44.

5. Гуринович В. А., Баландин Ю. А., Гурченко П. С. и др. Торцовая раскатка деталей фланцевого типа // Автомобильная промышленность. 2005. № 9. С. 32-33.

6. Сурков В. А., Корякин Н. А., Галимов Э. Р. Штамповка обкатыванием кольцевых и фланцевых заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. № 7. С. 27-29.

7. Сурков В. А., Корякин Н. А. Технологические процессы формообразования заготовок деталей газотурбинного двигателя методом штамповки обкатыванием // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 7. С. 21-28.

УДК 621.771.67.

Современные технологии накатывания периодических профилей внутреннего зацепления

В. Н. Востров

Актуальность проблемы формообразования внутренних периодических профилей

Детали внутреннего зацепления широко используются в автомобилестроении (планетарные передачи), станкостроении (зубчатые передачи и шлицевые соединения), средствах автоматизации производства (волновые передачи), двигателях авиационно-космической техники (подшипники Новикова). Процесс формирования внутренних зубьев, шлицев и других периодических профилей методами резания является трудоемким и малопроизводительным. Для его выполнения нужен дорогостоящий инструмент, который имеет

ви

сравнительно низкую стойкость. Переточка инструмента приводит к снижению точности изготавливаемого зубчатого профиля.

Внутренние периодические профили полуоткрытого типа изготавливают зубодолбле-нием. Главными недостатками данной технологии являются малая производительность и низкая точность формируемых зубьев. Зубо-долбление одной детали занимает от нескольких десятков минут (30-40 мин) до нескольких часов (6-8 ч). Из-за низкой производительности оборудования нужен значительный парк станков и большие производственные площади [1].

Одним из радикальных путей интенсификации процессов зубообработки в промыш-

№ 3 (63)/2011