Способ изготовления тонкостенных осесимметричных стальных оболочек
THIN-WALLED AXISYMMETRIC STEEL SHELL MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к изготовлению тонкостенных осесимметричных стальных оболочек, например, газовых баллонов, лейнеров, огнетушителей и других сосудов.
Актуальной проблемой при производстве тонкостенных стальных оболочек с использованием метода ротационной вытяжки является обеспечение высокой точности геометрических размеров, качества обрабатываемой поверхности и механической прочности получаемых деталей при высокой производительности.
Известен способ изготовления осесимметричных корпусов, патент РФ №2295416, кл. МПК B21D 51/24.
Способ включает закалку, отпуск, холодную пластическую деформацию методом ротационной вытяжки за два прохода и низкотемпературный отжиг.
Используют легированную сталь, осуществляют закалку и отпуск, ротационную вытяжку осуществляют без промежуточного отжига.
Известен также способ изготовления баллонов из конструкционных малоуглеродистых сталей для сжиженного газа, описанный в патенте РФ №1798589, кл. МПК5 F17C 1/00.
Баллон изготавливают из сваренных в стык тонкостенных оболочек, получаемых ротационной вытяжкой.
Недостатками данных способов применительно к проблеме получения стальных тонкостенных оболочек с использованием ротационной вытяжки является отсутствие технических решений по повышению точности и качества обработки. Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ изготовления стальных тонкостенных цилиндрических осесимметричных деталей методом ротационной вытяжки, описанный в книге М.А. Гредитора «Давильные работы и ротационное выдавливание» изд. «Машиностроение»; Москва, 1971 г., стр. 109÷115.
На трехроликовых давильно-раскатных станках выполняют ротационную вытяжку тонкостенных осесимметричных деталей из стальных заготовок, получаемых вытяжкой из кружка на прессовом оборудовании. Заготовка устанавливается и закрепляется на оправке (поз. 1) рис. 66. Затем давильные ролики вдавливаются в заготовку (поз. II и III), обеспечивая утонение заготовки до заданной толщины за несколько переходов с промежуточным отжигом и травлением окисной пленки.
При ротационной вытяжке осесимметричных заготовок из никелевых и других подобных легированных сталей используют охлаждающую жидкость в виде одной части масла с двадцатью частями воды. Поверхность оправки и внутренняя поверхность обрабатываемой заготовки покрывают слоем смазки на основе лития или коллоидального цинка.
Используют деформирующие ролики одинакового профиля, установленные с одинаковым зазором между вершинами профилей роликов и оправкой.
К недостаткам данного способа относится низкая точность и качество обработанной поверхности, что обусловлено профилем роликов и их расположением относительно оправки и между собой, а также низкий коэффициент использования металла, обусловленный использованием кружка при изготовлении заготовки под ротационную вытяжку на прессовом оборудовании.
Кроме того, применение охлаждающей жидкости в виде смеси масла с водой неэффективно из-за отсутствия смазывающего вещества этой смеси, а смазка оправки и внутренней поверхности заготовки на основе лития или коллоидного цинка малоэффективна при обработке заготовок из малоуглеродистых, высокоуглеродистых и легированных сталей с другими, кроме никеля, легирующими элементами.
К недостаткам способа, принятого за прототип, является также нанесение смазки только на внутреннюю поверхность деталей и на наружную поверхность оправки, а наружная поверхность заготовки и деформирующих роликов оставляют без смазки.
К недостаткам данного способа также относятся отсутствие финишной термообработки.
Задачей технического решения, принятого заявителем за прототип, является получение тонкостенных осесимметричных деталей методом ротационной вытяжки на трехроликовых давильно-раскатных станках из заготовок, получаемых вытяжкой из кружка на прессовом оборудовании с необходимой точностью и качеством обрабатываемой поверхности заготовок.
Общими признаками с предлагаемым заявителями способом является наличие заготовительных операций получения осесимметричных заготовок, термических операций в виде отжига, химической - травления окисной пленки и ротационной вытяжки за несколько переходов с использованием охлаждающей жидкости и смазки.
В отличие от прототипа, предлагаемый заявителями способ изготовления тонкостенных осесимметричных стальных оболочек, включающий заготовительные, термические, химические операции и ротационную вытяжку за несколько переходов с использованием охлаждающей жидкости и смазки, отличается тем, что ротационную вытяжку трубных заготовок выполняют деформирующими роликами с радиусом при вершине, равным 0,3÷1,0 толщины заготовки и с разными углами профиля и установленными с различными зазорами с оправкой и последовательностью изменения углов и зазоров, затем выполняют отжиг, уменьшающий напряжения, и окончательную механическую обработку.
В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:
- деформирующие ролики выполнены с передними углами профиля, увеличивающимися в направлении вращения заготовки в 1,2÷1,6 раза;
- деформирующие ролики выполнены с задними углами профиля, уменьшающимися в направлении вращения заготовки в 1,2÷1,6 раза;
- деформирующие ролики установлены с зазорами, уменьшающимися в направлении вращения заготовки в 1,1÷1,4 раза;
- рабочие поверхности деформирующих роликов и (или) оправки обработаны (0,5÷5)% раствором перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в хладоне 113;
- при ротационной вытяжке используют СОЖ в виде эмульсии перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в индустриальном масле при следующем соотношении компонентов, масс. %: (0,2÷2) и (99,8-98) соответственно;
- заготовку оболочки перед ротационной вытяжкой подвергают фосфатированию в составе Фоскон 5 или Рускон 104;
- между переходами ротационной вытяжки выполняют отжиг рекристаллизационный, смягчающий или уменьшающий напряжения, удаление окисной пленки травлением в серной кислоте или дробеструйной обработкой, и затем фосфатирование заготовок в составе Фоскон 5 или Рускон 104.
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 обеспечение возможности изготовления тонкостенных осесимметричных стальных оболочек с высоким качеством обрабатываемой поверхности, точностью геометрических размеров, стойкостью инструмента, высокой производительностью, высоким коэффициентом использования металла и высокой механической прочностью при малом весе.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем заготовительную, термическую, химическую и ротационную вытяжки заготовок за несколько переходов с использованием охлаждающей жидкости и смазки, особенность заключается в том, что ротационную вытяжку трубных заготовок выполняют деформирующими роликами с радиусом при вершине, равным 0,3÷1,0 толщины заготовки и с разными углами профиля и установленными с различными зазорами с оправкой и последовательностью изменения углов и зазоров, затем выполняют отжиг, уменьшающий напряжения, и окончательную механическую обработку.
Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:
- использования трубной заготовки повысить коэффициент использования металла;
- выполнения деформирующих роликов с радиусом при вершине, равным 0,3÷1,0 толщины заготовки, повысить устойчивость процесса формообразования, при меньших значениях радиусов - менее 0,3 толщины снижается износостойкость роликов, что отражается на точности и качестве обработанной поверхности; при больших - более 1 толщины возрастают усилия ротационной вытяжки, что также снижает износостойкость роликов и ресурс работы подшипниковых узлов;
- выполнения деформирующих роликов с разными углами профиля и установки с различными зазорами с оправкой и последовательностью измененных углов и зазоров обеспечить плавность нарастания деформаций вдоль оправки от одного ролика к другому и этим повысить устойчивость процесса формообразования, повысить точность и качество обработки;
- выполнения отжига, уменьшающего напряжения, снизить уровень внутренних остаточных напряжений;
- окончательной механической обработки получить оболочку с окончательными размерами.
Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения позволяют, в частности, за счет:
- выполнения деформирующих роликов с передними углами профиля, увеличивающимися в направлении вращения заготовки в 1,2÷1,6 раза разделить деформацию между роликами, так как при последовательном расположении роликов в направлении вращения заготовки от ролика с меньшим передним углом к каждому последующему ролику с большим передним углом, первый ролик деформирует металл с исходными механическими свойствами, а каждый последующий ролик уже наклепанный металл, поэтому увеличение значения переднего угла уменьшает площадь очага деформации и, следовательно, снижает усилия ротационной вытяжки, и значения в 1,2÷1,6 раза определены экспериментально и являются оптимальными, при менее 1,2 значениях возникают утяжки металла, а при более 1,6 происходит гофрообразование и рябизна поверхности;
- выполнения деформирующих роликов с задними углами профиля, уменьшающимися в направлении вращения заготовок в 1,2÷1,6 раза, обеспечить высокое качество обработанной поверхности, так как при значениях менее 1,2 раза, возникает рябизна поверхности, а более 1,6 раза, возрастают радиальные усилия деформирования и износ деформирующих роликов;
- установки деформирующих роликов с зазорами, уменьшающимися в направлении вращения заготовки в 1,1÷1,4 раза, начиная с первого, с меньшим передним углом, обеспечить плавное нарастание деформации вдоль образующей оправки, и этим повысить устойчивость процесса формообразования и износостойкость роликов, значения в 1,1÷1,4 раза оптимальны, определены экспериментально, при значениях менее 1,1 и более 1,4 снижается устойчивость процесса формообразования, которая проявляется в виде гофрообразования или утонения;
- обработки рабочей поверхности деформирующих роликов и (или) оправки (0,5÷5)% раствором перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в хладоне 113 снижается износ, что повышает эксплуатационную стойкость роликов и оправки, при использовании раствора <0,5% эффект снижается, а при растворе >5% дальнейшего повышения эффекта снижения износа не происходит;
- использования при ротационной вытяжке СОЖ в виде эмульсии перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в индустриальном масле при следующих соотношениях компонентов, масс. %: (0,2÷2) и (99,8-98) соответственно, снизить износ деформирующих роликов и оправки, повысить качество обрабатываемой поверхности заготовки, при содержании в эмульсии перфторполиэфиркислоты <0,2% износ не уменьшается, а при содержании >2% возрастает расход перфторполиэфиркислоты;
- фосфатирования заготовок оболочки перед ротационной вытяжкой в составе Фоскон-5 или Рускон-104 снизить трение между внутренней поверхностью заготовки и оправкой и в очагах деформации, уменьшить усилия деформирования, и, в конечном результате, повысить точность геометрических размеров, качество обработанной поверхности и ресурс работы роликов и оправки;
- выполнения между переходами ротационной вытяжки отжига рекристаллизационного, смягчающего или уменьшающего напряжения, удаления окисной пленки травлением в серной кислоте или дробеструйной обработкой и, затем, фосфатирования заготовок в составе Фоскон-5 или Рускон-104 снизить наклеп металла после отжига рекристаллизационного смягчающего, уменьшить уровень внутренних напряжений после отжига, уменьшающего напряжения, подготовить поверхность под фосфатирование удалением окисной пленки травлением или дробеструйной обработкой, снизить трение между внутренней поверхностью заготовки и оправкой и в очагах деформации фосфатированием в составе Фоскон-5 или Рускон-104, и, в результате, повысить точность, качество обработанной поверхности и ресурс работы роликов и оправки.
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 способе изготовления тонкостенных осесимметричных стальных оболочек, включающем заготовительную, термическую, химическую обработку и ротационную вытяжку заготовок за несколько переходов с использованием охлаждающей жидкости и смазки в отличие от прототипа согласно изобретению ротационную вытяжку трубных заготовок выполняют деформирующими роликами с радиусом при вершине, равным 0,3÷1,0 толщины заготовки и с разными углами профиля и установленными с различными зазорами с оправкой и последовательностью изменения углов и зазоров, затем выполняют отжиг, уменьшающий напряжения, и окончательную механическую обработку.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен способ изготовления тонкостенной осесимметричной стальной оболочки 4 методом ротационной вытяжки деформирующими роликами 1, 2 и 3 на оправке 5.
1
1
2
2
3
3
1
3
1
2
3
Ролик 1 выполнен с передним углом α°, задним углом β° и с радиусом при вершине R(мм), ролик 2-е передним углом α°, задним углом β° и с радиусом R(мм), ролик 3 с передним углом α°, задним углом β° и с радиусом R(мм). α°<α°<α° и β°>β°>β°.
1
Ролик 1 установлен с зазором Z(мм) относительно поверхности оправки 5.
S - направление подачи роликов, n - направление вращения заготовки.
3
0
Z=t(мм) t(мм) - толщина заготовки после каждого перехода. t(мм) - исходная толщина стенки на каждом переходе ротационной вытяжки.
2
3
1
2
3
Ролик 2-е зазором Z(мм), ролик 3 с зазором Z(мм) Z>Z>Z.
На фиг. 1 профили изображенных роликов 1, 2 и 3 условно совмещены.
0
1
2
3
3
На фиг. 2 изображено поперечное сечение установки роликов 1, 2 и 3 относительно оправки 5 в процессе ротационной вытяжки заготовки 4. t(мм) - исходная толщина заготовки на каждом переходе ротационной вытяжки. Z(мм), Z(мм), Z(мм) зазоры роликов 1, 2 и 3 относительно оправки. Z=t(мм). t(мм) - толщина заготовки после каждого перехода ротационной вытяжки.
n - направление вращения заготовки 4.
Ролики 1, 2 и 3 установлены последовательно в направлении вращения заготовки.
заг
об
1
2
3
-1
2
2
2
На фиг. 3 изображены развертка (πD)мм оболочки 4 и положение роликов 1, 2 и 3 в процессе ротационной вытяжки, где а-а, в-в и с-с - траектории роликов, n (мин) - направление вращения заготовки, S(мм/об) - величина подачи на 1 оборот заготовки, F(мм), F(мм), F(мм) - площади проекций очагов деформации, S(мм/мин) - осевая подача роликов.
А-А - поперечное сечение траекторий роликов.
0
t(мм) - исходная толщина заготовки,
1
1
t(мм)=Z(мм) - толщина заготовки от ролика 1,
2
2
t(мм)=Z(мм) - толщина заготовки от ролика 2,
3
3
t(мм)=Z(мм) - толщина заготовки от ролика 3.
-1
Ролики 1, 2 и 3 установлены последовательно в направлении вращения заготовки n (мин).
Предлагаемый способ изготовления тонкостенных осесимметричных стальных оболочек осуществляют следующим образом:
Заготовительную операцию выполняют резкой труб из малоуглеродистых, высокоуглеродистых или легированных сталей на мерные заготовки, калибровкой по наружной или внутренней поверхности в зависимости от сортамента труб, термическую - закалкой и отпуском или отжигом рекристаллизационным смягчающим в зависимости от химсостава стали, механическую - токарной обработкой по наружной, внутренней и торцевым поверхностям.
Затем заготовки подвергают фосфатированию в составе Фоскон-5 или Рускон-104.
1
3
1
2
3
1
2
3
1
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Ротационную вытяжку выполняют за несколько переходов деформирующими роликами 1, 2 и 3 с радиусом при вершине R(мм) (фиг. 1), с разными передними углами, α°, α° и α° и разными задними углами β°, β° и β° и установленными с различными зазорами Z(мм), Z(мм) и Z(мм) последовательно в направлении вращения заготовки n от ролика 1 с меньшим передним углом α° к ролику 2 и ролику 3, с большими передними углами, с меньшими задними углами и меньшими зазорами: α°<α°<α°, β°>β°>β° и Z>Z>Z.
Рабочие поверхности деформирующих роликов и (или) оправки перед ротационной вытяжкой обрабатывают раствором перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в хладоне 113.
В процессе ротационной вытяжки используют СОЖ в виде эмульсии перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в индустриальном масле.
Между переходами ротационной вытяжки выполняют отжиг рекристаллизационный смягчающий или уменьшающий напряжения, удаление окисной пленки травлением в серной кислоте или дробеструйной обработкой, и затем фосфатирование заготовок в составе Фоскон 5 или Рускон 104.
Затем оболочки подвергают отжигу уменьшающему напряжения, и окончательной механической обработке.
Пример
Горячекатаные трубы из малоуглеродистых, высокоуглеродистых или легированных сталей режут на мерные заготовки оболочки и калибруют по наружному или внутреннему диаметру в зависимости от номенклатуры труб и размеров оболочки.
Затем заготовки в зависимости от химсостава подвергают закалке и отпуску или рекристаллизационному смягчающему отжигу в электропечах.
После этого выполняют механическую обработку заготовок на токарных станках по наружному, внутреннему диаметру и торцам.
Получают заготовки размерами ∅419 мм и толщиной 12 мм.
Заготовки фосфатируют в ваннах с составом Фоскон-5 или Рускон-104.
Перед ротационной вытяжкой рабочие поверхности деформирующих роликов и оправки обрабатывают 3% раствором перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113.
В процессе ротационной вытяжки используют СОЖ в виде эмульсии перфторполиэфиркислоты марки 6МФК-180 в индустриальном масле при их соотношении 1% и 99% соответственно.
0
1
2
3
Ротационную вытяжку выполняют за три перехода с толщиной стенки t=12 мм до t=8 мм на первом, t=5 мм на втором и t=2,5 на третьем переходе.
Между переходами ротационной вытяжки выполняют отжиг, уменьшающий напряжения, между первым и вторым переходом, и отжиг рекристаллизационный смягчающий между вторым и третьим переходом.
Между переходами ротационной вытяжки после отжига с заготовок удаляют окисную пленку травлением в серной кислоте или дробеструйной обработкой, затем заготовки фосфатируют в ваннах с составом Фоскон-5 или Рускон-104.
Ротационную вытяжку выполняют деформирующими роликами 1, 2 и 3 (фиг. 1, 2 и 3) с радиусом при вершине R=6 мм, что соответствует 0,5 толщины заготовки (6=0,5×12).
1
2
3
2
1
3
1
2
3
1
2
3
2
Ролики 1, 2 и 3 (фиг. 1) выполнены с передними углами, соответственно равными α=15°, α=22°, α=30°, α°/α°=1,5, α°/α°=1,4; с задними углами β=20°, β=15°, β=10°, β°/β°=1,33; β°/β°=1,5.
Ролики 1, 2 и 3 (фиг. 1, фиг. 2) установлены с зазорами относительно оправки, соответственно, по переходам:
1
2
3
Z=10,7 мм, Z=9,3 мм, Z=8 мм на первом переходе,
1
2
3
Z=7,0 мм, Z=6,0 мм, Z=5 мм на втором переходе,
1
2
3
Z=4,2 мм, Z=3,3 мм, Z=2,5 мм на третьем переходе,
1
2
2
3
Z/Z=1,15, Z/Z=1,16 - на первом переходе,
1
2
2
3
Z/Z=1,17, Z/Z=1,2 - на втором переходе,
1
2
2
3
Z/Z=1,27, Z/Z=1,3 - на третьем переходе.
После ротационной вытяжки заготовки оболочки подвергают отжигу, уменьшающему напряжения, и окончательной механической обработке.
Выполнение способа в соответствии с изобретением обеспечивает возможность изготовления тонкостенных осесимметричных оболочек с высокой точностью и качеством обработанной поверхности, высокой стойкостью инструмента, низким уровнем остаточных напряжений, высоким коэффициентом использования металла и высокой производительностью и малым весом.
Изобретение может быть использовано при производстве различных стальных оболочек.
Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями партий оболочек, изготовленных по данному способу.