СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ВНУТРЕННИМ ВИНТОВЫМ РЕЛЬЕФОМ Российский патент 1996 года по МПК B21K1/56 

Изобретение относится к производству строительных материалов и обработке металлов давлением и может быть использовано при производстве соединительных муфт и гаек для монтажа арматурной стали с винтовым профилем в процессе изготовления железобетонных изделий и конструкций.

Известен способ получения внутренней резьбы методом пластической деформации, а именно накатыванием роликовыми головками.

Этот способ имеет следующие недостатки: длительный процесс получения резьбы не дает возможности повысить производительность труда; для изготовления указанного инструмента расходуются высококачественные инструментальные стали; сравнительно сложная наладка на каждый шипоразмер нарезаемой резьбы; накатка и выдавливание резьбы в конструкционных сталях затруднительна ввиду высоких механических свойств этих сталей.

Известен способ получения внутренней резьбы пластическим деформированием, включающий нагрев заготовки с отверстием, диаметр которого больше наружного диаметра получаемой резьбы, и объемное обжатие на инструменте, который затем извлекают из заготовки свинчиванием.

Недостатками этого способа являются низкая токсичность получаемой резьбы, обусловленная штамповкой при высокой температуре; низкое качество поверхности резьбы, обусловленное окалинообразованием при температурах штамповки; невысокая прочность резьбы, обусловленная наличием поверхностного дефектного слоя, образовавшегося вследствие его обезуглероживания при высоких температурах.

Известен способ получения внутренних резьб, включающий штамповку заготовки с размерами, обеспечивающими необходимый объем металла для заполнения резьбы, и внутренним отверстием с диаметром, большим наружного диаметра режущего участка инструмента, нагрев заготовки до температуры обработки, установку ее в устройстве, подачу инструмента в отверстие заготовки, формирование резьбы на формирующем участке инструмента путем деформирования заготовки прессом в штампе, вывинчивание инструмента с прохождением по резьбе режущего участка для удаления дефектного слоя металла (обезуглероженного).

Недостатком этого способа является большая трудоемкость и нетехнологичность процесса, а также невозможность направленного воздействия на структуру изделий непосредственно после его изготовления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ горячего выдавливания, включающий нагрев полой заготовки до температуры горячей деформации, введение в полость заготовки в зафиксированном положении оправки с формообразующим рельефом, установленной с возможностью вращения и выдавливания внутреннего рельефа на заготовке при размещении последней в охватывающем ее по боковой поверхности устройстве, при котором выдавливание внутреннего рельефа осуществляют при различной величине зазора между поверхностями удерживающего устройства и заготовки в средней и торцовых участках последней.

Недостатком этого способа является отсутствие технологических параметров процесса, способствующих формированию структурного состояния основного металла соединительного элемента, а также металла внутреннего винтового рельефа, повышающего эксплуатационную надежность соединительного элемента. При низкой температуре нагрева заготовки (600-800^оС) формирование внутреннего рельефа затруднено, а структура характеризуется высокой степенью напряженности, что может привести к хрупкому разрушению соединительного элемента в процессе эксплуатации. При высокой температуре нагрева заготовки (свыше 1150-1200^оС) происходит рост зерна металла до размеров, вызывающих охрупчивание в процессе эксплуатации.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности путем увеличения статической и усталостной прочности.

Цель достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления соединительных элементов с внутренним винтовым рельефом, включающим нагрев полой заготовки до температуры горячей деформации, введение в полость заготовки вращающейся оправки с формообразующим рельефом, выдавливание спиральной канавки на заготовке при размещении последней в охватывающем по ее боковой поверхности устройстве и охлаждение, заготовку нагревают до температуры, соответствующей точке структурных превращений обрабатываемой стали А_сз + (100-250^оС) со скоростью 3-10^оС/с, формирование спиральной канавки осуществляют путем предварительного и чистового выдавливания, последнее из которых завершают при температуре А_r3 + (25-100)^оС, после чего предварительно подстуживают винтовой рельеф и производят охлаждение всего элемента. При этом при подстуживании рельефа до температуры A_r3± 20 элемента охлаждают на воздухе, а при подстуживании рельефа до температуры A_r3 -(25-150)^оС элемент охлаждают водой. После охлаждения элемента водой его дополнительно подвергают отпуску при температуре 300-500^оС.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый способ позволяет изготавливать соединительный элемент с различной структурой, строго регламентированной по сечению и отвечающей условиям его эксплуатации.

Необходимость формирования различной структуры по сечению изделия обусловлена конструктивными особенностями соединительного элемента, характером воспринимаемых нагрузок и температурным режимом эксплуатации. Известно, что наличие спиральной канавки на внутренней поверхности соединительного элемента, служащей для навинчивания его на винтовые выступы стыкуемых арматурных стеpжней, приводит к снижению живого сечения (площади поперечного сечения, воспринимающего нагрузку) и созданию дополнительного напряженного состояния материала, т. е. спиральная канавка (резьба) является естественным фактором (надрезом), повышающим концентрацию напряжений, что в реальных условиях эксплуатации при наличии сопутствующих факторов (динамических нагрузок и пониженных температур) может приводить к разрушению соединительных элементов. Нивелирование отрицательного воздействия спиральной канавки (резьбы) на внутренней поверхности соединительного элемента на его конструктивную прочность достигается путем формирования различной структуры в материале корпуса соединительного элемента, определяет его статическую прочность, а структура по периметру спиральной канавки определяет его усталостную прочность.

Увеличение статической прочности достигается путем формирования в материале корпуса соединительного элемента феррито-пермитной структуры (балл зерна 4-7) или структуры троостита. При этом соединительные элементы с феррито-пермитной структурой используются без дополнительной обработки для стыкования стержней винтовой арматуры класса прочности А-III и А-IV, со структурой троостита после дополнительного охлаждения водой и отпуска для стыкования арматуры класса прочности А-V и А-VI (возможно А-VII).

Формирование указанных структур по сечению соединительного элемента достигается за счет параметров технологического процесса их изготовления, т.е. отличительных признаков способа. Так, температура нагрева заготовки, а также скорость нагрева, ответственны за величину зерен в корпусе соединительного элемента. Температура нагрева до точки А_С3 + 100^оС является минимальной для изготовления элементов из низкоуглеродистых сталей (марки сталь 10-20), так как процесс изготовления проходит с понижением температуры и по его завершению необходимо иметь достаточный запас тепла для последующих операций. Температура нагрева до точки А_с3 + 250^оС является максимальной для нагрева заготовок из среднеуглеродистых сталей (сталь 45-65). Кроме того, эти температуры выбираются из необходимости устранения полосчатости структуры при использовании в качестве заготовки холоднодеформированной трубы конструкционных сталей.

Скорость нагрева выбирается из необходимости уменьшить потери в окалину, а также исключить возможность роста зерен аустенита при нагреве заготовок. Так, заготовки из низкоуглеродистых сталей, температура нагрева которых составляет А_с3 + (100-150)^оС, нагревают со скоростью 3-5^оС/c, а заготовки из среднеуглеродистых сталей, температура нагрева которых составляет А_с3 + (200-250)^оС, нагревают со скоростью 5-10^оС/с. Эти параметры обеспечивают получение в материале корпуса соединительного элемента феррито-перлитной структуры (балл зерна 4-7) при их охлаждении на воздухе по окончании процесса изготовления. Для получения более высоких прочностных свойств соединительного элемента его необходимо подвергнуть охлаждению в воде (закалке) по окончании формирования спиральной канавки.

Соединительные элементы, охлажденные в воде, подвергаются дополнительному отпуску. Отпуск при температуре 300-350^оС применяется для низкоуглеродистых конструкционных сталей (сталь 10-20), при температуре 450-500^оС для среднеуглеродистых (сталь 50-65).

Такая обработка позволяет получать в корпусе элемента структуру трооста, повышающую их статическую прочность.

Увеличение усталостной прочности (предела выносливости) достигается путем измельчения феррито-пермитной структуры по периметру спиральной канавки. При этом проявляется эффект барьерного действия мелких зерен. Формирование измельченной структуры происходит за счет пластического деформирования металла (выдавливание) в аустенитном состоянии. При этом процесс выдавливания осуществляется в две стадии предварительное и чистовое. Предварительное выдавливание осуществляется двумя-пятью давящими элементами, с нарастающей степенью деформации (увеличение геометрических размеров давящих выступов).

Чистовое выдавливание осуществляется одним давящим элементом при обратном ходе (вывинчивании) оправки. Необходимость чистового выдавливания обусловлена стремлением сохранения мелкозернистой структуры по периметру спиральной канавки (балл 8-10), так как осуществляется при более низкой температуре, при этом интенсивный рост аустенитного зерна конструкционных сталей не происходит. Температура завершения чистового выдавливания A_r3 + 25^оС предназначена для низкоуглеродистой стали марки сталь 10, температура A_r3 + 100^оС для среднеуглеродистой стали марки сталь 65. Для фиксирования измельченной структуры в готовом изделии необходимо, чтобы перед его охлаждением температура спиральной канавки была ниже, чем температура в центре стенки на определенную величину. При подстуживании спиральной канавки до температуры A_r3 20^оС, последующее охлаждение всего элемента осуществляется на воздухе. Это позволяет получить измельченную феррито-перлитную структуру в слое толщиной 0,25-1,5 мм (в зависимости от профилеразмеров соединительных элементов) с баллом зерна 8-10 в то время, как в материале корпуса феррито-перлитная структура имеет балл зерна 4-6. При подстуживании спиральной канавки до температуры A_r3 (25-150)^оС последующее охлаждение всего элемента осуществляется водой (с дополнительным отпуском после закалки). Это позволяет получить измельченную феррито-перлитную структуру по периметру спиральной канавки в слое толщиной 0,25-1,5 мм, а в корпусе соединительного элемента структуру троостита в слое толщиной 0,70-0,85 минимальной толщины стенки. Переохлаждение канавки перед охлажденной водой до температуры менее A_r3 25^оС приводит к негативному воздействию на структуру спиральной канавки (охрупчивание за счет выделения смешанных структур). Переохлаждение канавки до температуры ниже A_r3 -100^оС снижает статическую прочность готового элемента за счет утонения поверхностного слоя элемента, имеющего структуру троостита. Переохлаждение канавки относительно температуры средней толщины стенки на величину до 20-50^оС может быть достигнуто за счет теплоотбора оправкой при чистовом проходе. Переохлаждение канавки на величину до 150^оС достигается за счет охлаждения внутренней полости потоком воздуха.

Изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность путем увеличения статической и усталостной прочности (конструкционной прочности) изделий.

На фиг. 1 показан соединительный элемент для стыкования арматурных стержней с винтовым профилем; на фиг.2 вид А на фиг.1; на фиг.3 охватывающее устройство с заготовкой; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.3 и оправка с формообразующим рельефом перед формированием спиральной канавки; на фиг.5 то же, в момент предварительного выдавливания спиральной канавки; на фиг.6 то же, в момент окончания предварительного выдавливания спиральной канавки; на фиг.7 то же, в момент чистового выдавливания спиральной канавки; на фиг.8 Б-Б в момент окончания формирования спиральной канавки; на фиг.9 стыковое соединение двух арматурных стержней винтового профиля при помощи соединительного элемента в сборе.

Соединительный элемент (фиг.1) содержит корпус 1 в виде, например, шестигранной трубы (возможна любая другая четырехгранная, круглая и т.п.) из конструкционной стали марок сталь 10-65 со спиральными канавками 2 на внутренней поверхности. Форма и размеры спиральной канавки регламентированы нормативным документом (ТУ 14-283-19-86) и соответствуют размерам стыкуемых стержней с необходимым припуском. Равнопрочность стыкового соединения и исходных арматурных стержней обусловлена площадью "живого сечения" соединительного элемента, заключенной между внешней поверхностью и максимальным диаметром спиральной канавки (фиг.2), а также структурным состоянием материала. Статическая прочность соединительного элемента обуславливается структурой металла в корпусе 1, хладостойкость и усталостную прочность формирует структура металла в области спиральной канавки 2. Формирование необходимых структурных состояний по зонам соединительного элемента осуществляется в процессе его изготовления по предлагаемому способу.

На фиг.3 изображена схема устройства, которое представляет собой разъемный корпус, содержащий две полуобоймы 3 и 4, связанные с одной стороной шарниром 5, а с другой замком 6. На каждой полуобойме со стороны разъема выполнены углубления, образующие рабочее пространство в виде шестигранной призмы, размеры которой соответствуют горячим размерам заготовки 7 с учетом зазора для ее свободной установки. Задняя по отношению к оправке 8 сторона устройства (фиг. 4) имеет упор 10. Устройство устанавливается на суппорт токарно-винторезного станка взамен резцедержателя.

На фиг. 4-8 изображена технологическая последовательность изготовления соединительных элементов. Процесс выдавливания спиральной канавки происходит следующим образом: устройство с заготовкой, нагретой до температуры 850-1150^оС, установленное на суппорте токарного станка, начинает движение в направлении вращающего шпинделя с закрепленной в нем оправкой 8 (фиг.4). На поверхности оправки (инструмента) по винтовой линии с заданным шагом расположены два-пять сменных твердосплавных давящих элементов 9 (формообразующий рельеф), форма и размеры которых последовательно приближаются к размерам и профилю требуемой спиральной канавки. Устройство движется со скоростью, при которой за один оборот оправки оно перемещается на расстояние, равное шагу получаемой спиральной канавки. Вращающаяся оправка входит внутрь заготовки и выдавливает на ее внутренней поверхности спиральную канавку (фиг. 5). После выхода последнего давящего элемента 9 из заготовки (фиг. 6) происходит реверс привода, а оправка и устройство начинают противоположное движение. При этом за счет сокращения размеров заготовки из-за ее остывания происходит повторное деформирование имеющейся спиральной канавки одним давящим элементом (фиг.7). Поэтапное выдавливание спиральной канавки двумя-пятью давящими элементами (фиг.6) представляет собой предварительное выдавливание, движение одного давящего элемента по имеющейся канавке при реверсе оправки и устройства представляет собой чистовое выдавливание, так как является окончательным. Суппорт с устройством возвращаются в исходное положение (фиг.8), после чего извлекается готовый элемент, производится подстуживание внутреннего винтового рельефа (подстуживание можно осуществлять при нахождении готового изделия в устройстве, т.е. до его измельчения) и последующее охлаждение всего изделия. Среднемассовая температура изделия в момент окончания деформирования составляет 850-900^оС.

Подстуживание внутреннего рельефа до температуры 800-830^оС осуществляется самопроизвольно за счет теплоотбора оправкой, подстуживание до температуры 700-800^оС осуществляют воздушным потоком. Соединительные элементы, предназначенные для стыкования арматурных стержней класса А-III-А-IV, подвергаются охлаждению на воздухе, элементы, предназначенные для стыкования арматуры класса А-V-A-VI, после соответствующего подстуживания внутреннего рельефа воздушным потоком подвергаются охлаждению в воде (закалке) с последующим отпуском при температуре 300-500^оС.

На фиг.9 показано стыковое соединение двух арматурных стержней винтового профиля при помощи соединительного элемента в сборе. Монтаж стержней при этом осуществляется следующим образом: на конец одного из арматурных стержней 11 навинчивается контргайка 12, представляющая укороченный в 3-4 раза соединительный элемент. Затем на этот стержень навинчивается непосредственно соединительный элемента, который впоследствии свинчивается на конец подведенного второго стержня, имеющего аналогичную гайку 12. После того, как концы стержней 11 состыкованы в соединительном элементе с зазором, не превышающим 1 мм, соединение затягивается контргайками и состыкованная плеть готова к укладке и бетонированию.

П р и м е р. Осуществляли выпуск опытной партии соединительных элементов для высокопрочной арматуры винтового профиля классов А_т-IV и А_т-VI (по ГОСТ 10884-81) диаметром 25 мм. Заготовкой для соединительных элементов служила шестигранная холоднодеформированная труба из стали марки сталь 35 (A_с3 800^оС, A_r3 790^оС с размером "под ключ" 41 мм с внутренним отверстием диаметром 26,5 мм.

Нагрев заготовок длиной, равной длине соединительного элемента, осуществляли в индукционной печи до температуры аустенитного состояния в течение 1,5-6 мин. Затем их переносили в удерживающее устройство и осуществляли формирование спиральных канавок на внутренней поверхности вращающейся оправкой с формообразующим рельефом. Процесс формирования спиральных канавок осуществляли на токарно-винторезном станке при скорости вращения оправки 100 об/мин, подача суппорта с закрепленным устройством 12 мм/оборот. Оправка диаметром 25 мм имела на поверхности давящие выступы из сплава ВК-6, которые по форме соответствовали профилю требуемой спиральной канавки.

Температуру нагрева заготовок изменяли от 870 до 1050^оС, температуру завершения чистового выдавливания от 750 до 820^оС, подстуживание винтового рельефа элементов, охлаждаемых на воздухе, осуществляли до 740-700^оС, элементов подвергаемых закалке до 700-620^оС.

Соединительные элементы, подвергаемые охлаждению в воде (закалке), предварительно продувались потоком воздуха через внутреннюю полость для снижения температуры спиральной канавки и фиксирования измельченной феррито-перлитной структуры.

После завершения процесса выдавливания резьбы соединительные элементы извлекались из устройства и далее подвергались охлаждению на воздухе и в воде.

Готовые соединительные элементы служили для стыкования стержней класса прочности А_т-Nи А_т-VI арматурной стали марки 20 ГС диаметром 25 мм. Стыковые соединения подвергали стендовым испытаниям при статических (растяжение), циклических (знакопеременный изгиб) и динамических (удар) нагрузках. Результаты испытания представлены в таблице.

Для сравнительных испытаний изготавливали соединительные элементы по известному способу, при котором заготовку, нагретую до температуры 1200^оС, помещали в устройство и осуществляли формирование спиральных канавок на внутренней поверхности за счет прохода оправки в одну сторону с последующим извлечением оправки. Соединительные элементы сравнительной партии подвергали аналогичным охлаждению и испытаниям.

Как видно из приведенных данных, показатели конструкционной прочности (статическая прочность, ударная вязкость, усталостная прочность) соединительных элементов, изготовленных по предлагаемому способу, превосходят в 1,2-1,5 раза аналогичные характеристики соединительных элементов, изготовленных по известному способу, что свидетельствует об их повышенной эксплуатационной надежности.

Использование: обработка металлов давлением, технология производства муфт и гаек с винтовым профилем для монтажа арматурных стержней. Сущность изобретения: полую заготовку нагревают до температуры горячей деформации и устанавливают в удерживающем устройстве. Устройство охватывает заготовку по ее боковой поверхности. В полость заготовки вводят вращающуюся оправку с формообразующим рельефом. Формирование спиральной канавки осуществляют путем предварительного и чистового выдавливания. Выдавливание завершают при определенной температуре и подстуживают винтовой рельеф. При небольшом подстуживании винтового рельефа охлаждение элемента осуществляют на воздухе, при большом - водой. При охлаждении элемента водой дополнительно производят отпуск. 3 з.п.ф-лы, 9 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления соединительного элемента с внутренним винтовым рельефом в виде спиральной канавки, преимущественно из конструкционной стали, включающий нагрев полой заготовки до температуры горячей деформации, введение в полость заготовки вращающейся оправки с формообразующим рельефом, выдавливание спиральной канавки на заготовке при размещении последней в охватывающем по ее боковой поверхности устройстве и термическую обработку, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности путем увеличения статической и усталостной прочности, заготовку нагревают до температуры, соответствующей точке структурных превращений, обрабатываемой стали Ас₃ + (100 250)^oС со скоростью 3 10^oС/с, формирование спиральной канавки осуществляют путем предварительного и чистового выдавливания, последнее из которых завершают при температуре Ar₃ + (25 100)^oС, после чего предварительно подстуживают винтовой рельеф и производят охлаждение всего элемента. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что винтовой рельеф подстуживают до температуры Ar₃ ± 20^oС, а элемент охлаждают на воздухе. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что винтовой рельеф подстуживают до температуры Ar₃ (25 150)^oС, а элемент охлаждают водой. 4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что после охлаждения водой элемент дополнительно подвергают отпуску при 300 500^oС.