ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ РАСКАТКИ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК Российский патент 1997 года по МПК B21K1/38 B21J5/00 

Предполагаемое изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к инструменту свободной ковки и может быть использовано в кузнечном производстве при раскатке кольцевых заготовок.

Известна оправка для раскатки кольцевых заготовок, содержащая гладкую цилиндрическую рабочую часть, выполненную с шероховатостью рабочей поверхностью R_z80-R_z40 мкм. [1]
Недостатком данной раскаточной оправки является то, что при кантовке заготовки с целью ее подачи для очередного обжатия возможно проскальзывание заготовки по оправке в случае увеличения единичного обжатия выше 10-20% что ограничивает возможность интенсификации процесса.

Наиболее близким техническим решением является оправка для раскатки кольцевых поковок из труднодеформируемых сплавов, состоящая из профилированной и гладкой цилиндрической частей, профилированная часть которой выполнена в виде многозаходных винтовых выступов, высоту и ширину которых принимают в пределах 0,02-0,06 0,04-0,12 от диаметра профилированной части, угол наклона их соответственно относительно оси оправки составляет 10-35^o. Данное решение по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип [2]
Недостатком прототипа является то, что на конечной стадии раскатки для получения высококачественной внутренней поверхности, максимально приближенной к форме готовой детали и снижению припусков на последующую механическую обработку необходимо уменьшение разовых обжатий бойком или замена оправки на гладкую цилиндрическую, что существенно снижает производительность процесса, увеличивает количество выносов (подогревов); при охлаждении заготовки до нижнего граничного значения температуры возрастает сопротивление деформации и снижается пластичность, особенно для заготовок из труднодеформируемых жаропрочных сталей и сплавов, причем наличие винтовых выступов, высота и ширина которых соответственно принимается в пределах 0,02-0,05 и 0,04-0,12 от диаметра профилированной части приводит к образованию на заготовке выступов с более интенсивным охлаждением и, как следствие, к образованию поверхностных радиальных трещин.

Техническим результатом данного изобретения является увеличение единичных обжатий, что приводит к ускорению процесса раскатки при минимальной количестве нагревов заготовки за счет увеличения коэффициента контактного трения между заготовкой и раскаточной оправкой.

Для достижения поставленной задачи предлагается инструмент для раскатки кольцевых поковок из труднодеформируемых сплавов, выполненный в виде оправки состоящей из профилированной и гладкой цилиндрической частей: на рабочей поверхности профилированной части методом накатки, наплавки, механической обработки или другими методами нанесена сетка с высотой выступов в пределах от 0,005-0,01 и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,01-0,02 от диаметра гладкой цилиндрической части инструмента. Поставленная задача достигается за счет того, что путем увеличения единичного обжатия без проскальзывания заготовки уменьшается технологическое время раскатки, совмещаются операции раскатки и осадки торцов, за один нагрев, что позволяет экономить энергозатраты на подогрев; рациональная форма рабочей части инструмента исключает появление поверхностных трещин, что повышает качество поковки, а также повышает производительность процесса за счет исключения операции замены оправки на конечных чистовых стадиях раскатки.

На фиг. 1 изображен инструмент для раскатки кольцевых заготовок, на фиг. 2 сечение А-А фиг. 1; на фиг. 3 схема раскатки колец.

Инструмент состоит из профилированной 1 и гладкой цилиндрической части 2. На профилированной части накаткой, наплавкой, механической обработкой или другими методами нанесена сетка.

Раскатка колец осуществляется следующим образом. Полую заготовку 3 одевают на профильную часть инструмента 2 которую устанавливают на стойки 4, и раскатывают плоским бойком 5.

В процессе раскатки деформирование заготовки по внутреннему диаметру осуществляется на профильной части инструмента и деформированный металл заполняя углубления сетки, улучшает сцепление металла с оправкой, исключающее проскальзывание заготовки при кантовке после каждого единичного обжатия.

Для обоснования граничных значений геометрических размеров наносимой сетки с точки зрения получения максимальной производительности было проведено 15 серий экспериментов с трехкратным повторением опытов. Экспериментальная проверка проводилась:
на гладкой цилиндрической оправке;
на оправке, состоящей из гладкой и профилированной частей, по которой методом накатки нанесена сетка с высотой выступов 0,140,2 мм и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,2-0,3 мм, что составляет соответственно 0,002-0,0045 и 0,0045-0,007 от диаметра гладкой цилиндрической части инструмента;
на оправке, состоящей из гладкой и профилированной частей, на которой методом накатки нанесена сетка с высотой выступов 0,25-0,35 мм и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,7-0,8 мм, что составляет соответственно 0,0057-0,0081 и 0,016-0,018 от диаметра гладкой цилиндрической части инструмента;
на оправке, состоящей из гладкой и профилированной частей, на которой механической обработкой нанесена сетка с высотой выступов 0,8-0,9 мм и линейными размерами ячейки сетки в пределах 1,6-1,8 мм, что составляет соответственно 0,018-0,02 и 0,036-0,04 от диаметра гладкой цилиндрической части инструмента;
на оправке, выполненной по [А.с. N 979001] с винтовыми выступами высотой 2,5-2,6 мм и шириной 4,9-5 мм, что составляет соответственно 0,057-0,059 и 0,11-0,114 от диаметра гладкой цилиндрической оправки, угол наклона винтовых канавок составил 30^o.

Диаметр гладкой части у всех оправок составляет 4 мм. Экспериментальную проверку предложенного решения, процесса проводили при раскатке на лабораторном прессе УММ-50 с максимальным усилием 0,5 МН свинцовых заготовок.

Применение свинца в качестве моделируемого материала обусловлено тем, что свинец имеет низкую температуру плавления и его рекристаллизационные процессы при комнатной температуре находится в условиях горячей деформации основных марок сталей и сплавов. Наличие тонкой окисной пленки на свинце позволяет моделировать труднодеформируемые жаропрочные сплавы (типа ЭП915), которые относятся к сплавам с низким окалинообразованием и наличие окалины при моделировании, так и в реальном технологическом процессе соизмеримы.

В качестве моделирующего материала использован свинец марки СЗ с содержанием примесей менее 0,1% [ГОСТ 3778-65]
На каждой оправке проведено три серии опытов с трехкратным их повторением на заготовках, изготовленных с постоянным отношением внутреннего диаметра заготовка D_в и диаметра оправки d_опр. соответственно равным 1,1; 2,6 и 4,0, что соответствует начальной, промежуточной и конечной стадии раскатки. Анализ результатов проверки возможности кантовки заготовки различными видами инструмента для раскатки кольцевых заготовок показывает, что на гладкой оправке и на оправке с размерами выступов в пределах 0,1-0,2 мм и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,2-0,3 мм возможности кантовки, в начальной стадии раскатки ограничиваются величиной относительного обжатия 20-25% и на конечной стадии раскатки величиной относительного обжатия порядка 10%
На инструменте для кузнечной раскатки с высотой выступов 0,25-0,35 мм и линейными размерами ячейки сетки 0,7-0,8 мм возможности кантовки в начальной стадии раскатки ограничивались велечиной 60 и в конечной стадии величиной 45% На инструменте для кузнечной раскатки, выполненном с высотой выступов 0,8-0,9 мм и линейными размерами ячейки сетки 1,6-1,8 мм возможности кантовки ограничивались обжатием до 40% в начальной стадии раскатки и до 25% в конечной стадии раскатки.

На оправке, выполненной по прототипу возможности кантовки ограничивались обжатием 45% в начальной стадии раскатки и до 30% в конечной стадии раскатки.

Таким образом, инструмент выполненный с сеткой с высотой в пределах 0,005-0,01 и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,01-0,02 от диаметра гладкой цилиндрической оправки имеет максимальную производительность с точки зрения увеличения единичных обжатий без явления последней и превосходить прототип в 1,33-1,67 раза, и позволяет вести процесс раскатки практически при любых степенях обжатия, допустимых по условию сохранения пластических свойств металла заготовки. Кроме того, заготовки раскатанные на оправке с сеткой, геометрические размеры выступов которой составляют 0,8-0,9 мм и линейные размеры ячейки которой 1,6-1,8 мм и оправке, изготовленной по прототипу на внутренней поверхности заготовки имеют макронеровности (фиг. 4 ), которые составляют 6-9% от толщины раскатываемой заготовки, это значительно превышает допуск на механическую обработку и исключает возможность использования этих оправок на конечной стадии раскатки, то есть необходима замена инструмента на менее производительную гладкую цилиндрическую оправку. Данный инструмент для кузнечной раскатки свободен указанных недостатков и имеет на внутренней поверхности высоту макронеровностей, позволяющих использовать на конечных стадиях раскатки (фиг. 5).

Заготовки, выполненные из жаропрочного сплава ЭП915е (ХН43БМТЮ) имели следующие начальные размеры с учетом угара при нагреве: внутренний диаметр - d_в=98 мм; наружный диаметр d_н=248 мм; ширина кольца - b_o=80 мм.

При моделировании процесса промышленной раскатки ставилась задача получить кольцевую заготовку с размерами: внутренний диаметр D_в=380 мм; наружный диаметр D_н=430 мм ширина кольца b₁=84 мм.

Ковочный интервал температур составляет 1150±10^o-950^oC.

Для расчета этапов раскатки задавались минимальным размером прошиваемого отверстия под раскатку d_в=98 мм. Общий коэффициент вытяжки по внутреннему диаметру равен:
. Оптимальное значение коэффициента вытяжки за одну раскатку составляет для колец 1,4-1,8;
Принимая среднее значение коэффициента вытяжки λ_ср= 1,6 находим количество переходов раскатки n
.

Таким образом принимаем раскатку в три этапа и для исправления разностенности вводим осадку кольцевой заготовки в торец. С учетом изложенного была принята система раскатки, представленная в таблице.

Анализ опытно-промышленного опробывания инструмента для кузнечной раскатки показал, что за счет увеличения допустимых единичных обжатий кольцевой заготовки процесс формообразования проходил быстрее и после окончания раскатки температура заготовки позволяла совместить в одном нагреве операции раскатки и осадки, за счет чего сократить технологический цикл на два нагрева. Отсутствие резких выступов и в впадин, а также уменьшение времени раскатки, и, как следствие этого, сохранение высокой ковочной температуры и высоких пластических свойств заготовки позволяет вести процесс без образования поверхностных дефектов в виде "горячих" и "холодных" трещин.

Применение данного инструмента для кузнечной раскатки позволяет использовать его в течение всего процесса и не требует замены оправки на гладкую цилиндрическую. Кроме того, наличие профилированной части оправки, выполненной в виде сетки, обеспечивает благоприятную схему напряженно-деформированного состояния, обеспечивающую преимущественное течение металла заготовки в тангенциальном направлении (увеличение вытяжки) и затрудненное течение по ширине кольца (уменьшение уширения), и, как следствие, снижение расхода металла и вероятности появления радиальных трещин на торцевых поверхностях заготовки. Таким образом, применение данного инструмента для раскатки кольцевых заготовок позволяет интенсифицировать процесс раскатки за счет увеличения единичных обжатий, снижения количества выносов (подогревов), необходимостью смены инструмента в процессе раскатки, а также уменьшает вероятность появления дефектов поковки в виде "холодных" и "горячих" трещин, что обеспечивает повышение качества получаемого изделия.

Использование: изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к инструменту свободной ковки и может быть использовано в кузнечном производстве при раскатке кольцевых заготовок. Сущность изобретения: инструмент для раскатки кольцевых заготовок выполнен в виде оправки, состоящей из профилированной и цилиндрической частей. Рабочая поверхность профилированной части выполнена с рельефом в виде сетки с высотой выступов в пределах 0,005. . . 0,01 и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,01...0,02 от диаметра гладкой цилиндрической части оправки. Наличие сетки на инструменте обеспечивает исключение проскальзывания заготовки при кантовке после каждого единичного обжатия. Это ведет к уменьшению времени раскатки, совмещаются операции раскатки и осадки торцов, за один нагрев, что позволяет экономить энергозатраты на подогрев; рациональная форма рабочей части инструмента исключает появление поверхностных трещин, что повышает качество поковки, а также повышает производительность процесса за счет исключения операции замены оправки на конечных чистовых стадиях раскатки. 1 табл. 3 ил.

Инструмент для раскатки кольцевых заготовок, выполненный в виде оправки, состоящей из профилированной и цилиндрической частей, отличающийся тем, что рабочая поверхность профилированной части выполнена с рельефом в виде сетки с высотой выступов в пределах 0,005 0,01 и линейными размерами ячейки сетки в пределах 0,01- 0,02 диаметра гладкой цилиндрической части оправки.