СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОЛИКОВ ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ПРИВОДНЫХ ЦЕПЕЙ
METHOD OF MAKING ROLLERS OF HEAVY-DUTY DRIVE CHAINS

Предлагаемое изобретение относится к отрасли технологии машиностроения, в частности к области обработки металлов давлением, и может быть использовано для повышения надежности работы приводных цепей, используемых в металлургии, конвейерных устройствах и других высокоэнергетических передачах движения.
Ролики для тяжелонагруженных приводных цепей представляют собой длинноосные втулки из стали 20Г, которые штамповкой получать трудно и часто производственники их изготавливают обработкой резанием, из-за чего почти 50% металла приходится отправлять в стружку. При этом производительность становится низкой, а трудозатраты большими (примером такого производства является Тульский завод цепей, сайт http://www.tzc.ru).
Известен способ, когда заготовку отрезают от прутка, термообрабатывают, смазывают и выдавливают обратным способом деталь в виде стакана с дном, которое затем вырубают (Филимонов Ю.Ф., Позняк Л.А. Штамповка прессованием. М.: Машиностроение, 1964, 157, фиг.113). Однако ролики таким способом получают мелкие, не более 1,5-1,8 внутреннего диаметра по высоте, что используется в цепях для мелкого транспорта (велосипед, мопед, мотоцикл). Выдавливание длинноосных роликов таким способом приводит к быстрой поломке инструмента.
Известен также способ, взятый нами за прототип, с использованием комбинированного выдавливания из сплошной заготовки (Филимонов Ю.Ф., Позняк Л.А. Штамповка прессованием. М.: Машиностроение, 1964, 161, фиг.118) полого цилиндра с перемычкой внутри с коническими поверхностями, что повышает стойкость инструмента. Эту перемычку удаляют сверлением, оставляя внутренний выступ, который затем снимают механическим путем (точение, шлифование, калибровка) внутренней полости. Недостатком такого способа является повышенная трудоемкость изготовления ролика на окончательной стадии его изготовления.
При вырубке перемычки (как в первом аналоге) снижается качество ролика из-за вырывов металла на его внутренней поверхности. При уменьшении толщины перемычки, чтобы снизить объем вырывов металла, на внешней поверхности втулки возникают кольцевые утяжины, которые при разностенности втулки приводят к неравномерным биениям в цепи и ее разрушению. Поэтому технология комбинированного выдавливания с вырубкой перемычки в производстве практически не используется.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества роликов за счет компенсации дефектов комбинированного выдавливания и последующей вырубки перемычки без снижения коэффициента использования металла и производительности труда.
Выполнение задачи достигается следующим образом.
Способ изготовления роликов тяжелонагруженных приводных цепей, заключающийся в том, что заготовку отрезают от прутка, термообрабатывают, смазывают и деформируют ее комбинированным выдавливанием 2-мя пуансонами в матрице, образуя полый цилиндр с перемычкой внутри, удаляют перемычку, заготовку деформируют комбинированным выдавливанием пуансонами, имеющими рабочие торцы у одного плоский, создавая плоскую поверхность перемычки цилиндра, а у другого плоскоконусный, создающего на другой поверхности перемычки выемку в виде усеченного конуса, перемычку удаляют вырубкой, оставляя конический выступ на внутренней стенке цилиндра с последующим вдавливанием его в стенку при дальнейшей калибровке ролика, причем объем выступа должен превышать объем образующихся дефектов в виде вырыва после вырубки перемычки, либо в виде утяжины на наружной поверхности полуфабриката; объем оставшейся после вырубки части перемычки в полуфабрикате должен быть больше объема образующихся дефектов на 3-7%; комбинированное выдавливание ведут с ограничением по высоте стенки полуфабриката в сторону плоской поверхности перемычки с одновременным выравниванием ее по высоте кромки; толщину перемычки в зоне будущего ее среза берут такой, чтобы при вырубке стенка ролика не сминалась; угол скоса конического выступа перемычки берут в диапазоне реального угла трения деформируемого материала.
Для пояснения описываемого объекта на фиг.1 приведен разрез выдавленного полуфабриката с фигурной поверхностью перемычки снизу, на фиг.2 - контур внутренней поверхности полуфабриката после вырубки перед калибровкой, на фиг.3 - схема вырубки перемычки и калибровки выступа.
Способ изготовления роликов тяжелонагруженных приводных цепей осуществляется следующим образом.
Главной деталью, определяющей высокую износостойкость тяжелонагруженных приводных цепей, является ролик, к качеству которого предъявляют высокие требования. Его чаще всего изготавливают из легированной стали (20 ХМ). Ввиду большой номенклатуры таких цепей диаметры роликов D меняются от 20 до 44 мм (всего от 8 до 44 мм), а их высоты H от 30 до 80 мм (всего от 3 до 80 мм) в тяжелонагруженных приводных цепях с отношением высоты к наружному диаметру H/D от 1 до 4 (Фиг.1). Применяемый способ в первую очередь пригоден для относительных высот ролика больше 1,5. Если ролики изготавливать из более Прочных сталей или из титановых сплавов, то предельная относительная высота для предлагаемого способа снижается. При использовании твердосплавного инструмента предельная относительная высота ролика повышается.
Пример
0
0
0
пер
п
п
п
Для изготовления ролика (цилиндр 1 на фиг.1) с наружным диаметром D=36 мм, толщиной стенки t=3 мм, высотой H=80 мм из стали 20Х по предлагаемому способу от прутка отрезают сплошную заготовку диаметром D=35 мм и высотой Н=38,2 мм, объем которой V включает объем вырубаемой перемычки 2 V диаметром d=30 мм и толщиной t=2 мм. Затем на заготовку воздействуют в следующем порядке: термообрабатывают (отжигают при T=800ºС в течение τ=30 мин), смазывают (травят, фосфатируют, промывают, окунают в мыльную эмульсию и сушат), деформируют пуансонами 3 и 4 в матрице 5 по схеме комбинированного выдавливания, превращая ее в полый цилиндр 1 с перемычкой 2 внутри (толщиной t будущего среза не больше толщины стенки t, в нашем случае t=2 мм), на прессе для холодного выдавливания силой P=2,5 МН, затем перемычку 2 вырубают, а цилиндр 1 калибруют по внутренней поверхности, убирая выступ 6, оставшийся после вырубки перемычки 2, а заодно заполняя металлом возможные вырывы по внутренней и утяжины по наружной поверхностям цилиндра 1.
з
Для осуществления такой технологии необходимо выбрать режимы деформирования и размеры полуфабрикатов. При заданных размерах детали степень деформации в любом направлении будет равна ε=0,69. Удельная сила комбинированного выдавливания в зависимости от условий трения заготовки на контактных границах составляет
МПа, т.е. Р=1,3 МН, поэтому и выбран пресс для холодного выдавливания с коэффициентом запаса по силе в К≈1,5 раза.
выр
n
ср
Сила вырубки перемычки, с учетом упрочнения, определяется как P=πdtτ=π30*2*508=96 кН.
Чтобы при вырубке перемычки 2 стенка цилиндра 1 не потеряла форму, ее надо проверить на сминаемость вблизи неупрочненной кромки по формуле
см
s
2
2
2
2
P=π(D-d)*τ/4=π(36-30)*340/4=106 кН.
см
выр
Так как Р≥P, то выбранная толщина перемычки 2 в 2 мм вполне допустима.
b
В
у
b
Высота конического участка h и угол скоса α (фиг.2) выемки перемычки 2 имеют большое значение для технологии и выбираются из условия, что объем V выступа 6 (фиг.1) будет компенсировать дефекты по утяжине 8 шириной h и вырыва (9 на фиг.3). Угол скоса конического выступа 6 перемычки 2 берем равным α=5º в диапазоне реального угла трения деформируемого материала, т.е. α=4-17º. Высота конического участка принята h=2 мм.
bp
После вырубки перемычки 2 на внутренней поверхности цилиндра 1 остается кольцевой выступ 6 (фиг.3) треугольного сечения высотой t=0,18 мм, тогда объем кольцевого выступа будет равен
в
в
kb
в
3
V=π(d/2-t/3)ht=π(15-0,18/3)4*0,18=33,79 мм,
у
у
у
у
3
V=π(D/2-t/3)ht=π(18-0,09/3)5*0,09=25,4 мм,
bp
bp
bp
bp
3
V=π(d/2-t/3)ht=(15-0,06/3)3*0,06=8,3 мм.
Объем кольцевого выступа несколько выше суммы возникших объемов кольцевых вырыва и утяжины.
На фигуре 3 показана схема вырубки перемычки 2 в цилиндре 1 (полуфабрикат перевернут на 180º) и последующей калибровки внутренней поверхности цилиндра 1 с кольцевым выступом 6 одним вырубным пуансоном 10 с вырубной частью 11 и калибрующим пояском 12 в вырубной матрице 13. При этом вдавливаемый металл кольцевого выступа 6 цилиндра 1 заполнит объем утяжины 8 и вырыва 9.
1
Так как при вырубке перемычки 2 сила реакции R выступа 14 от матрицы 13 давит на кромку цилиндра 1, то ее надо сделать ровной с помощью торцевой калибровки, а это легко осуществить, если при комбинированном выдавливании в одном из направлений в конце процесса поставить ограничение по высоте 7 (фиг.1). Так как вырубка проходит в сторону плоской поверхности перемычки 2, то ограничение 7 ставим с этой же стороны h (фиг.1). А все возможные перекосы тогда пойдут в сторону ее фигурной поверхности h, что на качество будущего ролика цепи не повлияет.
При выдавливании заготовок из прочных конструкционных сталей или из титановых сплавов заготовку штампуют в полугорячем состоянии, т.е. при температуре, например для стали 40Х или 45, 730-750ºС, что на 30-70ºС меньше температуры рекристаллизации этих сталей. Тогда вся предлагаемая технология настраивается на типовую для полугорячего выдавливания.
Экономический расчет показал, что коэффициент использования металла при комбинированном выдавливании роликов тяжелонагруженных приводных цепей может достичь 94%, что по сравнению с обработкой металлов резанием дает более 40% экономии металла. На миллион изготовленных роликов указанных размеров экономия может составить 42 тонны металла. Учитывая, что 1 тонна стали 20Х или 40Х стоит на рынке порядка 40 тыс. рублей за тонну легко подсчитать: на миллион роликов можно только по металлу сэкономить 1680 тыс. рублей, а подобных роликов цепная промышленность России выпускает несколько миллионов штук.