СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ СЛИТКОВ Российский патент 1997 года по МПК B21C23/00 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности, к способам прессования составных по толщине пустотелых слитков, с целью получения труб с плакированной рабочей поверхностью.

Одним из главных факторов, определяющих степень развития современного машиностроения, является уровень эксплуатационных свойств применяемых материалов в изделиях. Поэтому ежегодно возрастает объем изысканий, посвященный реализации "скрытых" ресурсов металлов и сплавов для повышения служебных характеристик изделий, например, труб с плакированной рабочей поверхностью.

Известен способ прессования составных по толщине слитков, полученных кристаллизацией плакирующего металла относительно боковой поверхности заготовки из плакирующего металла в процессе полунепрерывного литья, при котором слиток нагревают, размещают на игле, устанавливают в контейнер, содержащий коническую матрицу и прикладывают к его торцу осевое сжимающее усилие. [1]
К недостаткам известного способа следует отнести:
возможность образования дефектов, типа пузырей, плен и т.д. на контактной поверхности лакирующий материал плакируемый материал, что при наличии атмосферного воздуха существенно ухудшает качество отпрессованных труб;
применение специальных кристаллизаторов, поскольку используются относительно небольшие по длине заготовки из плакируемого материала.

повышенная стоимость плакированных труб, вследствие необходимости механической обработки внешней поверхности составных слитков.

Известен также способ прессования слитков, преимущественно составных с продольной слоистостью, содержащих две размещенные друг в друге пустотелые заготовки, внутренняя из которых выполнена, например, из менее прочного материала, при котором слиток собирают, фиксируют заготовки относительно друг друга, далее слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем его размещения в контейнере и приложении осевого сжимающего усилия к торцу слитка.

Известный способ характеризуется следующими недостатками: возможной несвариваемостью обрабатываемых материалов из-за наличия воздуха на границе плакирующей материал плакируемый материал, большой разнотолщинностью плакирующего материала по длине трубы в связи с отсутствием предварительной сварки обрабатываемых материалов перед их совместным деформированием, - относительно низким коэффициентом выхода годного, так как возникает необходимость отделения большого по длине выходного конца трубы.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в обеспечении требуемого качества плакированных труб (минимальную разнотолщинность плакирующего слоя как по периметру трубы, а также по ее длине; высококачественную сварку обрабатываемых материалов; повышенные коррозионные свойства труб и т. д.) при высоком коэффициенте выхода годного.

Это достигается тем, что в способе прессования, преимущественно составных слитков с продольной слоистостью, содержащих две размещенные друг в друге пустотелые заготовки, внутренняя из которых выполнена, например, из менее прочного материала, при котором слиток собирают, фиксируют заготовки относительно друг друга, далее слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем его размещения в контейнере и приложении осевого сжимающего усилия к торцу слитка, согласно изобретению, перед сборкой слитка производят нанесение оплавлением подслоя из менее прочного материала на внутреннюю поверхность заготовки из более прочного материала, для чего в отверстие последней устанавливают стержень длиной, меньшей длины заготовки, на его торец в пределах длины, равной разности длин заготовки и стержня, устанавливают диск из менее прочного материала с диаметром, выполненным с минимальным зазором по отношению к диаметру отверстия в заготовке, после чего, прикладывая осевое сжимающее усилие к торцу диска, вызывают пластическое его формоизменение и локальную раздачу заготовки с образованием конической поверхности их контакта, затем стержень удаляют и осуществляют перемещение формоизмененного диска относительно заготовки с обеспечением оплавления менее прочного материала на контактной поверхности. Осевое перемещение формоизмененного диска осуществляют с одновременным вращением заготовки из более прочного материала, а осевое сжатие диска выполняют более одного раза.

Осуществление способа прессования составных по толщине слитков позволяет обеспечить требуемое качество планированных труб (как геометрических размеров, а также качества сварки плакируемого и плакирующего материалов) при высоком коэффициенте выхода годного.

Это объясняется тем, что нанесение оплавлением подслоя из менее прочного материала на внутреннюю поверхность заготовки из прочного материала обеспечивает:
полное заполнение свободных объемов на внутренней поверхности заготовки (с шероховатостью не ниже R_z20) менее прочный материалом и, как следствие, удаление воздуха их этих объемов,
снижение шероховатости внутренней поверхности заготовки из прочного материала до R_a39,
формирование продольной шероховатости внутренней поверхности заготовки из прочного материала, в отличие от исходной круговой шероховатости,
возможность интенсификации процесса диффузии плакирующего материала в плакируемый материал при нагреве слитка в индукционной печи, а также на этапе распрессовки слитка при его прессовании.

На фиг.1 изображено исходное положение технологической оснастки, заготовки из прочного материала и диска из менее прочного материала перед осевым пластическим сжатием материала диска; на фиг.2 окончание стадии осевого сжатия диска и локальной раздачи заготовки из прочного материала с образованием конической поверхности их контакта; на фиг.3 исходное положение штамповкой оснастки, заготовки из прочного материала и формоизмененного диска перед осевым перемещением последнего; на фиг.4 стадия нанесения оплавлением подслоя из менее прочного материала на внутреннюю поверхность заготовки из прочного материала; на фиг.5 собранный составной слиток перед фиксированием заготовок друг относительно друга; на фиг.6 окончание стадии фиксирования заготовок друг относительно друга осевым сжатием заготовки из менее прочного материала; на фиг.7 исходное положение составного слитка перед сдвигом заготовки из менее прочного материала относительно заготовки из прочного материала; на фиг.8 составной слиток; на фиг.9 исходное положение слитка в контейнере перед прессованием; на фиг.10 стадия прессования составного слитка.

Вариант осуществления предложенного способа прессования составных слитков состоит в следующем.

Заготовку 1 из более прочного материала, например, алюминиевого сплава Д16, имеющую сквозное центральное отверстие диаметром "D" и длину "H", устанавливают на плиту 2. В отверстие заготовки 1 с минимальным зазором устанавливают стержень 3 с радиусом "R" закругления на рабочем торце. При этом длина стержня 3 равна "h", и h <H. На рабочий торец стержня 3 устанавливают диск 4 из менее прочного материала, например, алюминия марки АДО. Диаметр диска 4 выполнен с минимальным зазором по отношению к диаметру "D" отверстия в заготовке 1, а толщина диска h₁=H-h. На торцевой поверхности заготовки 1 с центровкой по внешнему ее диаметру устанавливают прижим 5, имеющий соосное с заготовкой 1 отверстие с диаметром, равным "D". В отверстие прижима 5 по посадке движения размещают пуансон 6 с радиусом "R" закругления на рабочем торце (фиг.1).

Необходимо подчеркнуть, что заготовка 1, а также диск 4, перед их сборкой проходят стандартную обработку, с целью подготовки рабочих поверхностей (удаление масляных пятен, грязи и т.д.).

Посредством усиления P приж. заготовку 1 фиксируют на плите 2 и прикладывают усилие "P" к торцу пуансона 6. Внедрение пуансона 6 в материал диска 4 обуславливают уменьшение его толщины и, как следствие, пластическое течение материала. При этом заполняется свободные объемы на радиусах "P" закругления технологической оснастки и имеет место локальная раздача заготовки 1. Окончательная стадия этого внедрения характеризуется формоизменением диска 4 и образованием конической (или близкой к конической) поверхности контакта с образующей "ac" (фиг.2) и величиной радиального давления "P".

Затем стержень 3 удаляют из заготовки 1 и заменяют плиту 2 на матрицу 7, имеющую соосное отверстие диаметром "D" с заготовкой 1 (фиг.3).

Приложение усилия "P₁" к формоизмененному диску 4 вызывает интенсивное тепловыделение на поверхности контакта и оплавление менее прочного материала. Фиксирование оплавленного подслоя толщины "b" и длиной "l" на внутренней поверхности заготовки 1 осуществляется на цилиндрической поверхности пуансона 6 (фиг.4).

Для интенсификации процесса оплавления менее прочного материала осуществляют вращение заготовки 1 вместе с матрицей 7, а также чередуют осевое сжатие диска 4 с его поступательным линейным перемещением относительно заготовки 1.

Процесс нанесения подслоя завершают на стадии, когда формоизмененный диск 4 пройдет через отверстие в матрице 7.

После чего приступают к сборке составного слитка (фиг.5). Для чего на матрицу 8, имеющую отверстие "D₁", соосно последнему, размещают заготовку 1 и в ее отверстие с минимальным зазором размещают заготовку 9 из менее прочного материала. Длина заготовки 9 равна "H", а внутренний ее диаметр равен "D₁". В отверстии заготовки 9 устанавливают ступенчатый пуансон 10, наибольший диаметр которого равен внешнему диаметру заготовки 9, а наименьший диаметр выполнен с минимальным зазором по отношению к отверстию в матрице 8. Причем длина пуансона 10 в наименьшем его поперечном сечении равна длине заготовок 1 и 9, т.е. равна "H" (фиг.5).

При воздействии усилением R₂ на пуансон 10 вызывает совместную деформацию заготовок 1 и 9 и появлением радиального давления "P^*" на поверхности их контакта. Таким образом, на одном из торцев составного слитка формируют уступ глубиной "h^*" (фиг.6). Затем из слитка удаляют пуансон 10, слиток переворачивают и производят перемещение заготовки 9 относительно заготовки 1 на глубину "h^*", что при известной степени сдвиговой деформации, в условиях радиального давления, обеспечит образование металлических связей между материалом подслоя с толщиной "b" и материалом заготовки 9.

В силу однородности этих материалов гарантируется качественное образование металлических связей в пределах всей контактной поверхности.

Нагрев слитки до температуры прессования, например, в индукционной печи обеспечит усиление процессов диффузии.

Нагретый слиток устанавливают на подвижную иглу 11 (на фиг. условно показан неподвижной), на которой предварительно располагают пресс-шайбу 12. Подчеркнем, что уступ слитка обращен в сторону, противоположную от пресс-шайбы 12.

Вводят иглу 11 с пресс-шайбой 12 и нагретым слитком в контейнер 13, где жестко закреплена коническая матрица 14 (фиг.9).

При воздействии усилием P₃ на пресс-шайбу 12 осуществляют этап распрессовки заготовки 1, что вызывает повышение давления в контейнере до величины P^*+ ΔP^* и приводит к качественной сварке обрабатываемых материалов до начала их совместного истечения.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа проводилась при прессовании плакированных АДО труб из алюминиевого сплава Д16; заготовки имели следующие геометрические размеры:
из Д16 внешний диаметр 145 мм
внутренний диаметр 60 мм
длину 120 мм
из алюминия марки АДО
внешний диаметр 59,5 мм
внутренний диаметр 49,5 мм
длину 120 мм
Диск изготавливался из АДО с геометрическими размерами; диаметром 59,5 мм, толщиной 30 мм. Формоизменение диска и локальную деформацию заготовки из сплава Д16 выполняли на гидравлическом прессе ПСУ 250 с усилием 850 кн. Нанесение подслоя из АДО оплавлением производили при скоростном (5 7)м/с перемещении формоизмененного диска посредством пуансона, приводимого в движение от ударника массой, равной 5 кг, с помощью магнитно-импульсной установки МИУ-30. Толщина подслоя наносимого алюминия составлена (0,05^oC0,1)мм.

Нагрев слитков осуществлялся в индукционной печи до температуры 500^oC. Прессование осуществлялось прямым методом с подвижной иглой через коническую матрицу (угол конусности 150^o) с диаметром отверстия 56 мм, на горизонтальном гидравлическом прессе, развивающем максимальное усилие 16 мн.

Диаметр иглы составлял 48,0 мм. Отпрессовано 8 м плакированных труб с поперечным сечением 56х4,0 мм. Металлографическими исследованиями, проводимыми на образцах, отрезанных через каждые 200 мм длины трубы, была установлена разнотолщинность плакированного слоя в пределах до 5% что соответствует техническим требованиям на производство данной продукции. Коррозионные испытания выявили повышение коррозионной стойкости труб не менее, чем на 5 баллов.

Изобретение может быть использовано при получении нефтепроводных труб, труб для угольной и пищевой промышленности и т.д.

Сущность: способ прессования слитков преимущественно составных с продольной слоистостью, содержащих две размещенные друг в друге пустотелые заготовки, внутренняя из которых выполнена, например, из менее прочного материала, осуществляют путем сборки слитка, фиксирования заготовок относительно друг друга, нагрева слитка, установки на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем его размещения в контейнере и приложения осевого сжимающего усилия к торцу слитка. Перед сборкой слитка производят нанесение оплавлением подслоя из менее прочного материала на внутреннюю поверхность заготовки из прочного материала, для чего в отверстие последней устанавливают стержень длиной, меньшей длины заготовки. На его торец в пределах длины, равной разности длин заготовки и стержня, устанавливают диск из менее прочного материала с диаметром, выполненным с минимальным зазором по отношению к диаметру отверстия. После этого, прикладывая осевое сжимающее усилие к торцу диска, вызывают пластическое его формоизменение и локальную раздачу заготовки с образованием конической поверхности их контакта. Затем стержень удаляют и осуществляют перемещение диска относительно заготовки с обеспечением оплавления менее прочного материала на контактной поверхности. Причем осевое перемещение формоизмененного диска осуществляют с одновременным вращением заготовки из прочного материала, а также осевое сжатие диска выполняют более одного раза. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ прессования слитков, преимущественно составных с продольной слоистостью, содержащих две размещенные друг в друге пустотелые заготовки, внутренняя из которых выполнена, например, из менее прочного материала, в котором слиток собирают, фиксируют заготовки относительно друг друга, далее слиток нагревают, устанавливают на иглу с последующим прессованием через коническую матрицу путем его размещения в контейнере и приложения осевого сжимающего усилия к торцу слитка, отличающийся тем, что перед сборкой слитка производят нанесение оплавлением подслоя из менее прочного материала на внутреннюю поверхность заготовки из более прочного материала, для чего в отверстие последней устанавливают стержень длиной, меньшей длины заготовки, на его торец в пределах длины, равной разности длин заготовки и стержня, устанавливают диск из менее прочного материала с диаметром, выполненным с минимальным зазором по отношению к диаметру отверстия в заготовке, после чего, прикладывая осевое сжимающее усилие к торцу диска, вызывают пластическое его формоизменение и локальную раздачу заготовки с образованием конической поверхности их контакта, затем стержень удаляют и осуществляют перемещение формоизмененного диска относительно заготовки с обеспечением оплавления менее прочного материала на контактной поверхности. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осевое перемещение формоизмененного диска осуществляют с одновременным вращением заготовки из более прочного материала.

З. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осевое сжатие диска выполняют более одного раза.