СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФАСОННЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF MAKING SHAPED CIRCULAR ARTICLES

Изобретение относится к технологии обработки металлов давлением, в частности к способам получения фасонных кольцевых изделий из трубных заготовок.
Из уровня техники известны способы получения фасонных изделий из трубных заготовок - раздача тонкостенной трубы эластичной средой (резина, полиуретан), жидкостью высокого давления или секционным разжимным пуансоном (см., например, Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. - М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2003; Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки. - М.: Машиностроение. 1989; Машиностроение. Энциклопедия. Том III-2. Технология заготовительных производств. - М.: Машиностроение, 1996).
Недостатками известных способов получения фасонных изделий из трубных заготовок являются применение сложного инструмента в виде разъемных матриц или секционного пуансона, трудоемкость сборки и разборки оснастки, сложность устройства для раздачи жидкостью высокого давления, ограничение процесса предельным давлением эластичной среды или жидкости.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ раздачи трубной заготовки жидкостью высокого давления в разъемных матрицах (Попов Е.А., Ковалев В.Г., Шубин И.Н. Технология и автоматизация листовой штамповки. - М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 2003, стр.274, 275). Недостатками этого способа получения фасонных изделий из трубной заготовки являются ограничения толщины стенки предельным давлением жидкости; высокие требования к точности гидравлического устройства для создания высокого внутреннего давления; необходимость герметизации заготовки по торцам и цилиндрическим поверхностям; сложность оснастки с разъемными матрицами и трудоемкость сборки и разборки оснастки для выполнения каждой операции.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение эффекта пластической потери устойчивости при осевом сжатии заготовки с защемленными концами в виде образования симметричного фасонного профиля, что в итоге позволяет получать изделия фасонного кольцевого профиля с большой толщиной стенки относительно диаметра при использовании простого инструмента.
Поставленный технический результат обеспечивается за счет того, что в способе получения фасонных кольцевых изделий посредством приложения осевой силы на трубную заготовку для обеспечения пластической деформации в ее центральной зоне, согласно изобретению, используют трубную заготовку с отношением толщины стенки h к ее наружному диаметру D в интервале 0.04<h/D<0.12, приложение осевой силы осуществляют по торцам трубной заготовки при одновременном их защемлении; при этом величину осевой силы P определяют из соотношения:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><msub><mi>σ</mi><mn>0</mn></msub><mi>D</mi><mi>h</mi><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>0.5</mn><msub><mi>e</mi><mi>p</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>n</mi></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                  (1)</mtext></mrow>
где:
D - наружный диаметр трубы;
h - толщина стенки;
0
σ, C и n - предел текучести и постоянные упрочнения материала трубы;
p
e - начальная пластическая деформация сжатия трубы,
а высоту H заготовки выбирают из соотношения:
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>h</mi><mo>,</mo><mtext>  L</mtext><mo>=</mo><mtext>2</mtext><mi>π</mi><mroot><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow><mtext>4</mtext></mroot><mo>,</mo><mtext>                                    (2)</mtext></mrow>
где:
H - высота трубной заготовки;
L - высота заготовки без защемленных концов;
R - средний радиус трубы;
ν - коэффициент Пуассона.
Изобретение поясняется графическими материалами, где:
на фиг.1 показано устройство для получения фасонного кольцевого изделия.
А на фиг.2, 3 и 4 представлены фотографии, на которых показаны образцы фасонных кольцевых изделий, полученных при различном перемещении инструмента.
Способ получения фасонного кольцевого изделия осуществляется следующим образом (фиг.1). Заготовка 1 с оправкой 2 и диском 3 устанавливается в выточки колец 4 и 5 на плиту 6 гидравлического пресса. Начальное положение заготовки с инструментом показано на левой половине фиг.1. При действии осевой силы Р происходит начальная пластическая деформация сжатия заготовки с защемлением ее концов оправкой 2 и кольцами 4 и 5. При дальнейшем возрастании осевой силы Р происходит пластическая потеря устойчивости на длине L боковой границы заготовки с образованием симметричного фасонного профиля, форма которого зависит от перемещения кольца 4, ограниченного толщиной диска 3. Форма фасонного кольца показана на правой половине фиг.1. Изделие снимается с оправки 2 и удаляется из выточек колец 4 и 5.
Способ основан на использовании симметричной формы пластической потери устойчивости на длине L при осевом сжатии коротких труб с отношение толщины стенки h к наружному диаметру трубы D в интервале 0.04<h/D<0.12. Высота H трубной заготовки с учетом защемленных концов равна L+3h. Форма профиля определяется толщиной диска 3, ограничивающего сжатие заготовки кольцом 4.
Эксперименты по пластической потере устойчивости при осевом сжатии алюминиевых труб в большом диапазоне изменения отношения h/D, приведенные в работах: Andrews K.R.F., England G.L., Ghani E. Classification of the axial collapse of cylindrical tubes under quasi-static loading // Intern. Journ. of Mechanical Sciences. 1983. V.25. P.687-696; Mamalis A.G, Johnson W. The quasi-static crumpling of thin-walled circular cylinders and frusta under axial compression // Intern. Journ. of Mechanical Sciences. 1983. V.25. P.713-732, показывают, что симметричная форма потери устойчивости с длиной волны L, возникает на трубах с отношением h/D в интервале от 0.04 до 0.12.
На тонкостенных трубах при h/D<(0.02-0.03) образуются несимметричные треугольные и квадратные складки. При сжатии коротких толстостенных труб с высотой меньше L и h/D>(015-0.2) происходит осадка заготовки без потери устойчивости.
При сжатии труб с высотой, превышающей L, на одном конце трубы происходит образование нескольких складок с уменьшающейся амплитудой, тогда как остальная часть трубы не деформируется пластически. Аналогичные ограничения на отношение h/D в интервале образования симметричной формы потери устойчивости и влияния высоты заготовки по сравнению с длиной L получены при пластическом сжатии трубных заготовок из углеродистой стали в работе: Непершин Р.И. Пластическая потеря устойчивости при осевом сжатии трубы // Вестник СГАУ, 2011, №3(27), ч.1., с.329-336. В этой работе приведены расчеты формы фасонного профиля при пластической потере устойчивости, удовлетворительно согласующиеся с экспериментом.
0
p
p
max
max
max
max
5
На фиг.2-4 показаны образцы фасонных кольцевых изделий, полученные предлагаемым способом из трубной заготовки с начальными размерами D=42 мм, h=3.6 мм. Материал трубы - сталь 3 с пределом текучести σ=300 МПа и безразмерными постоянными упрочнения C=2,2, n=0,4. При E=2.1×10 МПа и ν=0.3 длина L, рассчитанная по формуле (2), равна 28.5 мм. Высота заготовки H с учетом защемленных концов равна 36 мм. Осевая сила P пластической потери устойчивости, рассчитанная по формуле (1) при начальной пластической деформации сжатия e=0.07-0.08, равна 268-277 кН. Постоянные упрочнения C и n и пластическая деформация e - безразмерные величины. При перемещении кольца 4 S=5.5 мм получен профиль с плавным изменением кривизны и максимальным диаметром D=48.1 мм, показанный на фиг.2. При S=13 мм получен профиль с коническими участками и D=55.4 мм (фиг.3). При S=20 мм получен профиль с плоскими участками и D=59 мм (фиг.4). Толщина стенки фасонных колец h=3.8 мм с точностью до 0.1 мм практически постоянна. Вследствие холодной пластической деформации происходит увеличение начального предела текучести в 1.8 раза. Максимальная пластическая деформация на диаметре D для профиля, показанного на фиг.4, равна 0.34 без разрушения материала.
Ограничения предлагаемого способа получения фасонных кольцевых изделий по относительной толщине стенки трубной заготовки h/D и ее высоте H/L приведены в таблице.
Таблица
h/D
Форма профиля кольцевого изделия
Примечание
меньше 0.02-0.03
Треугольные или квадратные складки
Несимметричная форма потери устойчивости. Невозможно получить контролируемый профиль изделия.
0.04-0.12
Симметричный профиль, зависящий от перемещения инструмента. Максимальный диаметр профиля ограничен предельной деформацией e<sup>*</sup> <sub>p</sub>.
При отсутствии защемления концов заготовки происходит искривление формы сечения изделия. При длинной заготовке H/L>1 появляются несколько волн с переменной амплитудой.
больше 0.15-0.2
При H/L<1 - осадка кольцевой заготовки с искривлением боковой границы
p
Начальная пластическая деформация осевого сжатия e, используемая для расчета силы P потери устойчивости, изменяется в интервале от 0.03 до 0.1 при изменении отношения h/D от 0.04 до 0.12.
Таким образом, заявленное изобретение по сравнению с известным позволяет получать изделия фасонного кольцевого профиля с большой толщиной стенки относительно диаметра при использовании простого инструмента за счет обеспечения эффекта пластической потери устойчивости.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном способе отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области металлообработки для получения фасонных кольцевых изделий;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.