Способ изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек
METHOD FOR MANUFACTURING AXISYMMETRIC THIN-WALLED SHELLS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к изготовлению осесимметричных оболочек из углеродистых, легированных сталей и алюминиевых сплавов методом давильной обработки, например, различных оболочек из сочетания цилиндрических, конических и криволинейных участков различной толщины, сопряженных по радиусу.
Конструктивной особенностью этих оболочек является различная толщина концевых и основных участков, что обусловлено наличием сварных и резьбовых соединений с комплектующими деталями.
Изготовление таких оболочек на давильно-раскатных станках позволяет получать утолщения и утонения на различных участках оболочек взамен механической обработки.
Важнейшей проблемой при производстве оболочек является размерная точность и качество обработанной поверхности, на которые оказывает существенное влияние стойкость деформирующего инструмента.
Известны методы давильной обработки оболочковых деталей с уменьшением толщины стенки и увеличением длины заготовки (книга Н.Н. Могильного «Ротационная вытяжка оболочковых деталей на станках», издательство «Машиностроение», Москва, 1983 г.).
Недостатками данных методов является невысокая размерная точность и качество обработанной поверхности, обусловленные применением одного деформирующего ролика и низкий коэффициент использования металла из-за применяемого в качестве заготовки кружка.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек, описанный в книге М.А. Гредитора «Давильные работы и ротационное выдавливание», издательство «Машиностроение», Москва, 1971 г., стр. 109-115,196, 197.
На давильно-раскатном станке выполняют давильную обработку осесимметричных тонкостенных оболочек из заготовок, получаемых вытяжкой из кружка прессовой обработкой.
Заготовка устанавливается и фиксируется с упором в дно прижимом на оправке (рис. 66).
Затем деформирующие ролики раскатывают заготовку (поз. II и III), обеспечивая утонение заготовки до заданной толщины за несколько переходов.
Используют смазочно-охлаждающую жидкость в виде одной части масла с двадцатью частями воды.
Поверхность оправки и внутреннюю поверхность обрабатываемой заготовки покрывают смазкой на основе лития или коллоидного цинка.
Данное техническое решение принято авторами за прототип.
К недостаткам данного технического решения относятся низкий коэффициент использования металла из-за использования кружка при изготовлении заготовки на прессовом оборудовании, кроме того использование смазочно-охлаждающей жидкости в виде смеси масла с водой неэффективно из-за отсутствия смазочного вещества, а смазка на основе лития или коллоидного цинка не обладает универсальностью, так как ее применение при давильной обработке заготовок из углеродистых, легированных сталей и алюминиевых сплавов не дает необходимых результатов.
Недостатком также является невозможность использования трубной заготовки, обусловленная фиксацией с упором в дно заготовки, полученной из кружка.
Одним из основных недостатков способа, принятого за прототип, является низкая стойкость деформирующих роликов и оправки, обусловленная высокими механическими свойствами обрабатываемых оболочек, изготавливаемых из углеродистых, высокопрочных легированных и термоупрочненных легированных сталей, что приводит к быстрому износу рабочих поверхностей роликов и оправки.
Замена изношенных деформирующих роликов и оправки требует значительных затрат времени, что снижает производительность изготавливаемых оболочек и повышает их себестоимость.
Задачей технического решения, принятого за прототип являлось разработка способа изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек с необходимой точностью и качеством обработанной поверхности.
Общим признаками с предлагаемыми заявителями способом является: заготовительная, механическая и давильная обработка с использованием смазки и СОЖ.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек трубу режут на заготовки, выполняют давильную обработку за один или несколько переходов с образованием утолщенных, переходных конических и утоненных участков, сопряженных по радиусу, при этом угол наклона конических участков задают не более переднего и заднего углов профиля деформирующих роликов, а радиус сопряжения участков не менее радиуса при вершине деформирующих роликов, при давильной обработке используют деформирующий инструмент, на рабочие поверхности которого нанесена антифрикционная композиция, а в качестве смазки и СОЖ используют фторсодержащую эмульсию смазочную с индустриальным маслом, затем выполняют механическую обработку с формированием резьбовых и, или стыковых участков.
В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения изобретение характеризуется следующими признаками:
- способ по п. 1, отличающийся тем, что при давильной обработке заготовок в качестве антифрикционной композиции, нанесенной на рабочие поверхности деформирующего инструмента, используют раствор фторсодержащего поверхностно-активного вещества в органическом растворителе с массовой долей фторсодержащего вещества (2,0±0,1)%;
- способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве смазки используют фторсодержащую эмульсию смазочную - композицию фторсодержащего поверхностно-активного вещества в индустриальном масле в соотношении компонентов, масс %: (0,2÷1,0) и (99,8÷99,0), соответственно;
- способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве СОЖ используют фторсодержащую эмульсию смазочную - композицию фторсодержащего поверхностно-активного вещества в индустриальном масле в соотношении компонентов, масс %: (0,01÷0,1) и (99,99÷99,9), соответственно.
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 объект правовой охраны, во всех случаях достаточны.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек с высокой размерной точностью и качеством обрабатываемой поверхности, высоким коэффициентом использования металла, высокой износостойкостью рабочих поверхностей деформирующих роликов и оправки, и повышение производительности.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем заготовительную, механическую и давильную обработку с использованием смазки и СОЖ особенность заключается в том, что трубу режут на заготовки, выполняют давильную обработку за один или несколько переходов с образованием утолщенных, переходных, конических и утоненных участков, сопряженных по радиусу, при этом угол наклона конических участков задают не более переднего и заднего углов профиля деформирующих роликов, а радиус сопряжения участков не менее радиуса при вершине деформирующих роликов, при давильной обработке используют деформирующей инструмент, на рабочие поверхности которого нанесена антифрикционная композиция, а в качестве смазки и СОЖ используют фторсодержащую эмульсию смазочную с индустриальным маслом, затем выполняют механическую обработку с формированием резьбовых и, или стыковых участков.
Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, в способе за счет:
- резки труб на заготовки повысить коэффициент использования металла;
- давильной обработки за один или несколько переходов с образованием утолщенных, переходных конических и утоненных участков, сопряженных по радиусу, получить заготовки оболочек заданного профиля с высоким коэффициентом использования металла, высокой размерной точностью и качеством обработанной поверхности;
- задачи угла наклона конических участков не более переднего и заднего углов профиля деформирующих роликов ликвидировать образование наплывов и утяжек металла на входе и выходе роликов;
- задачи радиуса сопряжения участков не менее радиуса при вершине деформирующих роликов избежать образование утонения заготовки в зоне сопряжения участков;
- использования деформирующего инструмента, на рабочие поверхности которого нанесена антифрикционная композиция, уменьшить схватываемость контактных рабочих поверхностей роликов, оправки и заготовки, снизить силу трения и, как следствие, повысить износостойкость деформирующих роликов и оправки;
- использования в качестве смазки и СОЖ фторсодержащей эмульсии смазочной в индустриальном маслом, снизить усилие давильной обработки, уменьшить износ деформирующих роликов и оправки, улучшить качество и чистоту обрабатываемой поверхности заготовок;
- механической обработки с формированием резьбовых и, или стыковых участков обеспечить соединение оболочек с комплектующими деталями.
Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения позволяют, в частности, за счет:
- выполнения между переходами рекристаллизационного смягчающего отжига снять наклеп металла от предыдущей давильной обработки, снизить предел прочности и повысить относительное удлинение металла и, в результате, снизить усилия давильной обработки на последующем переходе и повысить срок службы деформирующего инструмента;
- выполнения после последнего перехода отжига, уменьшающего напряжения снизить уровень внутренних остаточных напряжений;
- нанесения на рабочие поверхности деформирующего инструмента раствора фторсодержащего поверхностно-активного вещества в органическом растворителе с массовой долей фторсодержащего вещества (2,0±0,1)%, создать условия работы инструмента, влияющие на его стойкость, повысить качество и чистоту обрабатываемой поверхности заготовок, данное значение (2,0±0,1)% является оптимальным, определенно экспериментально, при значениях менее 1,9% возрастает износ поверхностей деформирующего инструмента, при значениях более 2,1% возрастает себестоимость изготовления;
- использования при давильной в качестве смазки фторсодержащей эмульсии смазочной - композиции фторсодержащего поверхностно-активного вещества в индустриальном масле в соотношении компонентов, масс %: (0,2÷1,0) и (99,8÷99), соответственно, снизить износ деформирующего инструмента и повысить качество обрабатываемой поверхности заготовки, при содержании в эмульсии кислоты меньше 0,2% износ возрастает, а при содержании больше 1% увеличивается расход кислоты, повышается себестоимость изготовления;
- использования в качестве СОЖ фторсодержащей эмульсии смазочной - композиции фторсодержащего поверхностно-активного вещества в индустриальном масле в соотношении компонентов масс %: (0,01÷0,1) и (99,99÷99,9), соответственно, повысить стойкость деформирующего инструмента, при содержании в эмульсии кислоты меньше 0,01% эффект снижается, а при содержании больше 0,1%» возрастает расход кислоты, увеличивается себестоимость изготовления.
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 стран, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного на сегодня уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Способ изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек, включающий заготовительную, механическую и давильную обработку с использованием смазки и СОЖ, отличающийся тем, что трубу режут на заготовки, выполняют давильную обработку за один или несколько переходов с образованием утолщенных, переходных конических и утоненных участков, сопряженных по радиусу, при этом угол наклона конических участков задают не более переднего и заднего углов профиля деформирующих роликов, а радиус сопряжения участков не менее радиуса при вершине деформирующих роликов, при давильной обработке используют деформирующий инструмент, на рабочие поверхности которого нанесена антифрикционная композиция, а в качестве смазки и СОЖ используют фторсодержащую эмульсию смазочную с индустриальным маслом, затем выполняют механическую обработку с формированием резьбовых и, или стыковых участков.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено: на фиг. 1 схема давильной обработки заготовки 1 за три перехода давильными роликами 2 на оправке 3;
4 - прижим;
5 - заготовка после перехода давильной обработки;
6 - заготовка после второго перехода давильной обработки;
7 - заготовка после третьего перехода давильной обработки;
p
α- передний угол профиля деформирующих роликов 2;
р
β- задний угол профиля деформирующих роликов 2;
p
R (мм) - радиус при вершине роликов 2;
об
α- угол наклона конических участков заготовки 1, 5, 6 и 7;
об
R(мм) - радиус сопряжения конических и утоненных участков;
F (мм/мин) - осевая подача деформирующих роликов;
-1
S(мин) - скорость вращения.
Вышеописанный способ осуществляется следующим образом.
В способе изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек вначале трубы режут на заготовки на станке для резки труб.
р
р
p
об
об
После предварительной механической обработки заготовку 1 (фиг. 1) устанавливают на оправку 3, закрепленную в шпинделе давильно-раскатного станка, фиксируют на оправке прижимом 4 и деформирующими роликами 2 с передним утлом профиля α, задним углом профиля β и с радиусом R(мм) при вершине выполняют давильную обработку заготовки 1 за три перехода с образованием утолщенных, переходных конических участков с углом наклона α, и утоненных участков, сопряженных с коническими по радиусу R(мм), при этом:
об
об
р
об
p
α≤αp, α≤β, R≥R.
При давильной обработке заготовок 1 в качестве антифрикционной композиции рабочих поверхностей деформирующих роликов 2 и оправки 3 используют раствор фторсодержащего поверхностно-активного вещества в органическом растворителе с массовой долей фторсодержащего вещества (2,0±0,1)%.
В качестве смазки используют фторсодержащую эмульсию смазочную-композицию фторсодержащего поверхностно-активного вещества в индустриальном масле в соотношении компонентов, масс%: (0,2"3"1,0) и (99,8"3"99,0), соответственно, которую наносят на рабочие поверхности роликов 2 и оправки 3 и на наружную поверхность заготовок 1, 5, 6 и 7.
В качестве СОЖ используют фторсодержащую эмульсию смазочную - композицию фторсодержащего поверхностно-активного вещества в индустриальном масле в соотношении компонентов, масс %: (0,01÷0,1) и (99,99÷99,9), соответственно, которая подается в очаги деформации роликов и заготовки системой подачи СОЖ давильно-раскатного сжатия.
Между переходами выполняют в электрической печи отжиг рекристаллизационный смягчающий, а после последнего третьего перехода - отжиг, уменьшающий напряжения.
Затем выполняют механическую обработку заготовок на токарно-винторезном станке с формированием резьбовых и, или стыковых участков для соединения с комплектующими деталями.
Пример
Трубы из легированной высокопрочной стали типа СП28 режут на заготовки на станке для резки труб.
Выполняют предварительную механическую обработку под дальнейшую обработку на давильно-раскатном станке.
р
р
p
об
об
На давильно-раскатном станке RL60/75 за три перехода с промежуточными и финишным отжигами выполняют давильную обработку заготовок 1 (фиг.1) деформирующими роликами 2 с передним углом α=30°, задним углом β=15° и радиусом R=6 мм с образованием утолщенных, переходных конических участков с углом наклона α=15° и утоненных участков с радиусом сопряжения R=8 мм.
Давильную обработку выполняют деформирующим инструментом - роликами 2 на оправке 3, на рабочие поверхности которых нанесено фторсодержащее износостойкое покрытие.
В качестве смазки и СОЖ используют фторсодержащую эмульсию смазочную с индустриальным маслом.
Затем выполняют механическую обработку заготовок на токарно-винторезном станке с формированием резьбовых и, или стыковых участков.
Способ изготовления осесимметричных тонкостенных оболочек, в соответствии с изобретением, обеспечивает возможность изготовления оболочек с высокой размерной точностью и качеством обработанной поверхности, высокой механической прочностью, высоким коэффициентом использования металла, высокой износостойкостью деформирующих роликов и оправки, и позволяет повысить производительность изготовления.
Указанный положительный эффект подтвержден испытанием опытных партий оболочек, изготовленных по предлагаемому способу.
В настоящее время разработана техническая документация и намечено серийное производство оболочек по предлагаемому способу.