Деформирующий инструмент ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей
DEFORMING TOOL OF ROTATIONAL DRAWING OF AXIAL-SYMMETRIC SHELLS OF HIGH-CARBON AND ALLOYED STEELS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно, к конструкции деформирующего инструмента для ротационной вытяжки осесимметричных стальных оболочек.
Деформирующий инструмент представляет собой комплект деформирующих роликов и оправки, выполненных из легированной стали и термоупрочненных до высокой твердости.
Основное требование, предъявляемое к деформирующему инструменту ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей, являющихся труднодеформируемыми материалами, - это износостойкость, влияющая на точность и качество обрабатываемой поверхности оболочек.
Для получения деформирующего инструмента с высокой износостойкостью необходимо обеспечить высокую твердость рабочей поверхности, выбрать наиболее эффективную смазку, охлаждающую жидкость и конфигурацию профиля инструмента.
Известен узел валков прокатной клети-кварто, а.с. №604597, МПК B21B 1/38, в котором с целью изготовления профилированного проката повышенной точности бочка одного рабочего валка выполнена у краев с гладкими, а у середины с профилирующей поверхностями, причем выступы профилирующей поверхности превышают гладкие.
Известен валок для накатки рифлений, а.с. №438479, МПК B21h 7/14, в котором с целью повышения износостойкости выступов при накатке рифлений в горячем состоянии на плоских заготовках радиус скругления вершин выступов равен 0,5-0,6 их высоты.
Недостатком данных технических решений является использование только наиболее оптимальной геометрии профилей рабочих поверхностей, что не решает проблемы повышения срока службы деформирующего инструмента при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей в холодном состоянии.
Известен износостойкий режущий инструмент - концевые фрезы, резцы для токарной обработки, в котором для повышения срока службы используют упрочненный поверхностный слой из твердых нитридных, карбидных или карбонитридных соединений Ti, Al, N системы TiAlN, получаемый методом напыления осаждением в установке ВПТ-011.
Недостатком данной конструкции инструмента является низкая ударная вязкость и твердость сердцевины при высоких удельных давлениях ротационной вытяжки, что приводит к продавливанию и растрескиванию поверхностного слоя рабочей поверхности деформирующего инструмента.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является конструкция валков (отраслевой сборник научных трудов, «Теория и технология проката», Харьков, 1984 г., Министерство черной металлургии СССР, стр. 89-94, статья «Совершенствование конструкции и технологии изготовления рифленых валков штрипсового стана», рис. 1-4), используемых при горячей прокатке штрипса в линии прокатного стана 300 на заводе «Криворожсталь».
Бандажи валков 3, рис. 1, выполнены из стали 5ХНМ с твердостью сердцевины 35-45 HRC и с упрочненным азотированным поверхностным слоем рабочей поверхности со структурой карбонитридных и нитридных фаз, имеющих высокую твердость 56-58 HRC при глубине упрочненного слоя 0,1-0,4 мм.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции деформирующего инструмента, принятой за прототип, относится низкая твердость сердцевины (35-45 HRC), что вызывает продавливание поверхностного слоя рабочей поверхности деформирующего инструмента при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей в холодном состоянии.
Нанесение смазки на рабочую поверхность валков не предусмотрено.
Задачей технического решения, принятого авторами за прототип, являлось обеспечение высокой стойкости деформирующего инструмента - бандажей рифленых валков при горячей прокатке штрипса в линии прокатного стана.
Общим признаком с предлагаемым способом является наличие на термоупрочненном деформирующем инструменте из легированной стали поверхностного упрочненного слоя рабочей поверхности.
В отличие от прототипа ролики и оправка выполнены из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC, рабочие поверхности роликов выполнены треугольного и (или) трапецеидального профиля, а оправка - цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра, при этом рабочие поверхности роликов и оправки выполнены с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя, на рабочие поверхности нанесено покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.
В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:
- ролики треугольного профиля выполнены с передним углом 15-30°, задним углом 10-20° и с радиусом вершины, равным 1-3 толщины оболочки;
- ролики трапецеидального профиля выполнены с плоской вершиной длиной 1-2 толщины оболочки и с задним углом плоской вершины 1-5°, при этом передний и задний углы профиля заданы соответственно равными 15-30° и 10-20°, а радиус вершин профиля в пределах 1-3 толщины оболочки;
- концевой участок оправки, входящий в основание шпинделя, выполнен диаметром не менее 0,4 диаметра ее рабочей поверхности, а концевой участок, контактирующий с прижимом, выполнен диаметром менее диаметра рабочей поверхности на 2-4 толщины стенки оболочки;
- диаметр упорного фланца больше диаметра рабочей поверхности оправки на 7-9 толщин стенки оболочки;
- припуск на восстановление изношенного поверхностного слоя задают в пределах 7-10% расчетного диаметра рабочих поверхностей;
- в качестве фторорганической энергомодифицирующей композиции используют раствор перфторполиэфиркислоты, обработанный ультразвуком;
i
r
i
- рабочие поверхности деформирующего инструмента выполнены с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T, C, Al, S и дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.
Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявленного 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 создание деформирующего инструмента ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей, позволяющего повысить срок службы инструмента, геометрическую точность и качество обрабатываемой поверхности оболочек, а также производительность их изготовления.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной конструкции деформирующего инструмента, выполненного в виде деформирующих термоупрочненных роликов и оправки с износостойкой рабочей поверхностью, особенность заключается в том, что ролики и оправка выполнены из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC, рабочие поверхности роликов выполнены треугольного и (или) трапецеидального профиля, а оправка цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра, при этом рабочие поверхности роликов и оправки выполнены с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя, на рабочие поверхности нанесено покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.
Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет:
- выполнения роликов и оправки из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC обеспечить высокие эксплуатационные свойства деформирующего инструмента: твердость, ударную вязкость, износостойкость;
- выполнения рабочих поверхностей роликов треугольного и (или) трапецеидального профиля обеспечить высокую устойчивость процесса ротационной вытяжки и получить высокую геометрическую точность и качество обработанной поверхности осесимметричных оболочек;
- выполнения рабочей поверхности оправки цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра обеспечить надежное крепление концевых участков в основании шпинделя давильно-раскатного станка и прижима, а также крепление концевого участка заготовки оболочки между прижимом и оправкой;
- выполнения рабочих поверхностей роликов и оправки с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя повысить срок службы деформирующего инструмента путем удаления изношенного профиля и восстановления первоначального профиля механической обработкой за несколько операций по мере износа рабочей поверхности;
- нанесения на рабочие поверхности покрытия на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции повысить износостойкость роликов и оправки, а также геометрическую точность и качество обрабатываемой поверхности оболочки.
Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения, позволяют, в частности, за счет:
- выполнения роликов треугольного профиля с передним углом 15-30°, задним углом 10-20° и с радиусом вершины, равным 1-3 толщины оболочки, повысить износостойкость роликов и качество обрабатываемой поверхности. При значении переднего угла менее 15° возрастает давление на ролик, что снижает стойкость ролика, при значении переднего угла более 30° перед роликом возрастает наплыв металла, что приводит к налипанию металла на рабочую поверхность ролика, при значении заднего угла менее 10° и более 20° снижается качество обрабатываемой поверхности, возникают утяжки или волнистость поверхности, при значении радиуса вершины профиля менее одной толщины стенки оболочки возникают винтовые углубления на поверхности оболочки, а при значении радиуса более трех толщин оболочки возрастает давление металла на ролик;
- выполнения ролика трапецеидального профиля с плоской вершиной длиной 1-2 толщины оболочки и с задним углом плоской вершины 1-5° повысить качество обрабатываемой поверхности и срок службы роликов. При длине плоской вершины менее 1 толщины оболочки уменьшается площадь поперечного сечения ролика и снижается его износостойкость, при длине более 2 толщин оболочки возрастают радиальные усилия, что ускоряет износ профиля рабочей поверхности, при угле менее 1° и более 5° ухудшается качество обрабатываемой поверхности из-за утяжки металла и рябизны;
- выполнения трапецеидального профиля с передним углом 15-30°, задним углом 10-20° и с радиусом вершин профиля, равным 1-3 толщины оболочки, повысить срок службы роликов;
- выполнения концевого участка оправки, входящего в основание шпинделя, диаметром не менее 0,4 диаметра ее рабочей поверхности обеспечить надежность крепления оправки в основании шпинделя, так как при диаметре менее 0,4 диаметра рабочей поверхности возникает знакопеременный изгиб участка оправки с разрушением от воздействия радиальных усилий;
- выполнения концевого участка оправки, контактирующего с прижимом, диаметром менее диаметра рабочей поверхности на 2-4 толщины стенки оболочки повысить надежность крепления оправки прижимом заготовки, так как при диаметре концевого участка менее 2 толщин стенки возникает смятие технологического упора заготовки, а при диаметре более 4 толщин стенки ослабляется поперечное сечение, что приводит к снижению надежности крепления оправки прижимом, который входит своим выступом в отверстие концевого участка оправки;
- выполнения диаметра фланца больше диаметра рабочей поверхности оправки на 7-9 толщин стенки оболочки обеспечить надежность фиксации оправки в основании шпинделя давильно-раскатного станка. При значении диаметра фланца менее 7 толщин стенки возникает осевое смещение оправки, а при более 9 толщин стенки снижается коэффициент использования металла, так как возникает необходимость механической обработки с большой толщиной съема металла;
- выбора припуска на восстановление изношенного поверхностного слоя деформирующего инструмента в пределах 7-10% расчетного диаметра рабочих поверхностей повысить срок службы роликов и оправки. В результате многоразового восстановления первоначального профиля, при величине припуска менее 7% значения расчетного диаметра срок службы инструмента снижается, а при более 10% - происходит разрушение подшипниковых узлов крепления роликов;
- использования в качестве фторорганической энергомодифицирующей композиции раствора перфторполиэфиркислоты, обработанного ультразвуком, повысить износостойкость роликов и оправки;
i
r
i
- выполнения рабочих поверхностей деформирующего инструмента с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T, C, Al, S и дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции повысить соответственно износостойкость рабочих поверхностей и снизить усилие трения.
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».
Сущность изобретения заключается в том, что в деформирующем инструменте ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей, выполненном в виде деформирующих термоупрочненных роликов и оправки с износостойкой рабочей поверхностью, в отличие от прототипа, согласно изобретению ролики и оправка выполнены из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC, рабочие поверхности роликов выполнены треугольного и (или) трапецеидального профиля, а оправка цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра, при этом рабочие поверхности роликов и оправки выполнены с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя, на рабочие поверхности нанесено покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.
0
об
yп
oп
к
к
ф
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен деформирующий инструмент - три ролика 2 и одна оправка 3 в процессе ротационной вытяжки осесимметричной оболочки 1, t (мм) - толщина заготовки оболочки, t (мм) - толщина оболочки после обработки, t (мм) - толщина технологического упора оболочки, D (мм) - диаметр рабочей поверхности оправки, D (мм) и D' (мм) - диаметры концевых участков оправки, D (мм) - диаметр фланца оправки.
к
ф
Ролики 2 на фиг. 1 показаны условно совмещенными в одной осевой плоскости. Оправка 3 входит в основание шпинделя 5 концевым участком с диаметром D' (мм) и прижата фланцем диаметром D (мм) к основанию прижимным кольцом 6.
к
уп
На другом концевом участке диметром D (мм) заготовка оболочки 1 зафиксирована на нем прижимом 4 по торцу и технологическому упору заготовки толщиной t (мм).
F (мм/мин) - осевая подача роликов.
-1
S (мин) - скорость вращения.
0
об
На фиг. 2 изображен процесс ротационной вытяжки заготовки оболочки 1 роликами 2 на оправке 3 с геометрическими параметрами профиля: R (мм) - радиус вершины профиля, α° - передний угол, β° - задний угол, t (мм) - толщина заготовки оболочки 1, t (мм) - толщина оболочки.
0
об
На фиг. 3 изображен процесс ротационной вытяжки заготовки оболочки 1 роликами 2 с трапецеидальным профилем на оправке 3, α° - передний угол, l (мм) - длина плоской вершины, γ° - задний угол плоской вершины, R (мм) - радиусы вершин профиля, t (мм) - толщина заготовки оболочки, t (мм) - толщина оболочки.
Деформирующий инструмент изготавливают следующим образом.
Заготовки роликов из легированной стали 9ХС или 9Х ГОСТ 5950-2000 подвергают предварительной механической обработке с припуском на восстановление изношенного слоя 7-10% расчетного диаметра, термоупрочнению и отпуску до твердости 58-65 HRC, и окончательной механической обработке с получением треугольного профиля (фиг. 2) с размерами: α° - передний угол, β° - задний угол, R (мм) - радиус вершины или трапецеидального профиля (фиг. 3) с размерами: α° - передний угол, β° - задний угол, l (мм) - длина плоской вершины, γ° - задний угол плоской вершины, R (мм) - радиусы вершин.
После механической обработки получают чистоту поверхности профиля рабочей поверхности роликов Ra 0,32.
Затем на рабочую поверхность роликов наносится покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1-2% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113, обработанного ультразвуком, частота ультразвуковых колебаний составляет 18-25 кГц.
Заготовку оправки из легированной стали типа 9ХС или 9Х ГОСТ 5950-2000 подвергают предварительной токарной обработке с припуском на восстановление изношенного слоя 7-10% расчетного диаметра рабочей поверхности, закалке и отпуску до твердости 58-65 HRC и окончательной механической обработке с чистотой рабочей поверхности Ra 0,4. Оправку получают цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и фланцем большего диаметра.
Затем на рабочую поверхность оправки наносится покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1-2% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113, обработанного ультразвуком, частота ультразвуковых колебаний составляет 18-25 кГц.
i
r
i
Как вариант, рабочие поверхности деформирующего инструмента - роликов и оправки - выполнены с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T, C, Al, S на установке типа ВПТ-011 и дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1-2% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113, обработанного ультразвуком, частота ультразвуковых колебаний составляет 18-25 кГц.
Пример
Заготовки роликов и оправки из сталей 9ХС или 9Х ГОСТ 5950-2000 подвергают предварительной механической обработке с получением диаметральных размеров с припуском на восстановление изношенной рабочей поверхности 7-10% расчетного диаметра рабочих поверхностей.
p
оп
При расчетном диаметре рабочей поверхности роликов D=400 мм, оправки D=400 мм (фиг. 1, 2, 3) припуск задают равным Δ=28-40 мм, что позволяет восстановить первоначальный профиль рабочей поверхности роликов и оправки механической обработкой - токарной, шлифовальной и полировальной - за несколько операций по мере износа инструмента, что повышает срок службы роликов и оправки.
При величине припуска Δ=28-40 мм (фиг. 1, 2, 3) количество циклов восстановлений деформирующего инструмента составляет 14-20 с учетом глубины одноразового снимаемого изношенного слоя 2 мм.
Затем ролики и оправку подвергают закалке и отпуску до 58-65 HRC и окончательной механической обработке - токарной, шлифовальной и полировальной.
Получают ролики треугольного профиля (фиг. 2) с размерами:
- передний угол α=20-30°,
- задний угол β=10-20°,
к
- диаметр ролика D=400 мм,
об
- радиус вершины R=6 мм при t=2,5 мм
об
об
R=2,4×t (R=(1-3)t по формуле изобретения).
Ролики трапецеидального профиля (фиг. 3) получают с размерами:
- передний угол α=20-30°,
- задний угол β=10-20°,
p
- диаметр ролика D=400 мм,
об
- радиус вершин R=5 мм при t=2,5 мм
об
об
R=2×t (R=(1-3)t по формуле изобретения),
об
- длина плоской вершины 1=3 мм при t=2,5 мм
об
об
l=1,2×t (1=(1-2)t по формуле изобретения),
- задний угол плоской вершины γ=1-5°.
Чистота рабочих поверхностей роликов треугольного и трапецеидального профилей Ra 0,32.
Оправку (фиг. 1) получают с размерами:
оп
к
D=400 мм, D=3 86 мм,
к
уп
об
D'=180 мм, t=7 мм, при t=2,5 мм,
уп
уп
об
t=2,8×2,5=7 мм, что соответствует формуле изобретения (t=(2-4)t),
ф
В=400+8×2,5=420 мм, что соответствует формуле изобретения
ф
оп
об
(D=D+(7-9)t).
Чистота рабочей поверхности оправки Ra 0,4.
Затем на рабочую поверхность оправки наносится покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 ТУ 2154-003-26008884-2015 в хладоне 113 ГОСТ 23844-79 или «Х13КННХ» ТУ 2229-001-26008884-2015, обработанного ультразвуком, при частоте ультразвуковых колебаний 18-25 кГц.
i
r
Как вариант, рабочие поверхности деформирующего инструмента - роликов и оправки, выполнены с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T, C, Al, Si на установке типа ВПТ-011 и затем с дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 ТУ 2154-003-26008884-2015 в хладоне 113 ГОСТ 23844-79 или «Х13КННХ» ТУ 2229-001-26008884-2015, обработанного ультразвуком в установке «Кристалл» УП 0-0,063/44 с частотой ультразвуковых колебаний 18-25 кГц.
Изобретение может быть использовано при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей: соответственно, из стали 35 ГОСТ 1050-2013, стали 12Х3ГНМФБА ТУ АДИ 492-2013 и т.п.
Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями деформирующего инструмента - роликов и оправки.
Использование деформирующего инструмента при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей в соответствии с изобретением позволяет повысить его срок службы, точность геометрических размеров и качество обрабатываемой поверхности, а также повысить производительность процесса ротационной вытяжки.