СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ Российский патент 1998 года по МПК B21C23/08 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и предназначено для труб из труднодеформируемых материалов прессованием.

Известен способ прессования с подвижной или закрепленной иглой труб из труднодеформируемых металлов и сплавов [2]. По этому способу подготовленная трубная заготовка нагревается в индукционной печи до заданной температуры и загружается в контейнер пресса, где осуществляется гидропрессование трубы. Однако получаемые этим способом изделия имеют некачественную поверхность с множеством межкристаллитных трещин, обусловленных высоким уровнем остаточных напряжений.

Известен способ изготовления труб из труднодеформируемых тугоплавких металлов и сплавов [1] прессованием с иглой трубной заготовки в оболочках из вспомогательного материала. По данному способу с целью увеличения пластичности прессованных труб и снижения в них остаточных напряжений трубную заготовку прессуют при отношении радиальной вытяжки к окружной, равном по наружному диаметру 1,5-3, а по внутреннему диаметру - при отношении, превышающем первое в 1,2-2 раза. При этом суммарную вытяжку, наружный и внутренний диаметры трубной заготовки выбирают исходя из следующей зависимости:

где
A - отношение радиальной вытяжки к окружной;
μ - суммарная вытяжка;
d - диаметр иглы;
D - соответствующий диаметр трубной заготовки.

Необходимо отметить, что при данном способе изготовления труб не прогнозируется последеформационное разрушение изделия от остаточных напряжений, формирующихся в процессе пластической деформации. Данный способ предназначен для прессования трубной заготовки в оболочке из вспомогательного материала и с использованием деформируемого наполнителя, что усложняет подготовку трубной заготовки. При этом процесс прессования трубных заготовок рассматривается как процесс прессования сплошных прутков, таким образом, подменяется реальная схема процесса деформирования.

Цель изобретения - предотвращение последеформационного разрушения прессованных труб от остаточных напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления труб из труднодеформируемых металлов и сплавов прессованием средний радиус трубной заготовки определяют по заданному среднему радиусу готовой трубы, исходя из следующей зависимости

где
- средний радиус трубной заготовки, мм;
- средний радиус готовой трубы, мм;
R_1заг., R_2заг., R_1тр., R_1тр. - наружный и внутренний радиус трубной заготовки и готовой трубы соответственно, мм;
μ - коэффициент Пуассона материала трубы;
ψ^* - безразмерный параметр, характеризующий механические и физические свойства материала трубы;
- относительный параметр, характеризующий толщину стенки готовой трубы;

Соотношение (1) получено при определении технологических остаточных напряжений при волочении труб на основе энергетического подхода. Для достаточно длинных труб уравнения равновесия в цилиндрических координатах для упругого состояния трубной заготовки, вышедшей из зоны деформации, имеют вид [3]:

где
σ_r,σ_θ,τ_rz - радиальные, окружные и сдвиговые напряжения;
r - текущий радиус.

Исходя из условия равенства нулю радиальных остаточных напряжений на внутренней и наружной поверхности трубы выражение для σ_r записывают в виде
σ_r= -a₀(R₁-r)(r-R₂), (3)
где
R₁ и R₂ - соответственно наружный и внутренний радиусы трубы;
a₀ - неизвестная постоянная, характеризующая распределение остаточных напряжений по толщине стенки трубы;
знак "минус" в выражении (3) указывает на то, что радиальные остаточные напряжения - сжимающие.

Решая упругую задачу для прессованной трубы, определяют тензор остаточных напряжений σ_ij и тензор относительных упругих деформаций ε_ij, вызванных действием остаточных напряжений. Напряжения и деформации выражают в виде функций от параметра a₀. Затем определяют потенциальную энергию упругой деформации в объеме трубы от действия остаточных упругих напряжений

где
v - объем трубы, и для трубы единичного объема получают

Параметр a₀, определяющий значения остаточных напряжений, находят из энергетического условия
U = ψ•U_д, (5)
где
ψ - часть энергии, остающаяся в деформированном металле в виде связанной потенциальной энергии остаточных напряжений;
U_д - энергия, пошедшая на пластическую деформацию трубы [3, с. 27]:

где
σ_scp. - среднее значение сопротивления пластической деформации материала протягиваемой трубы;
D_с.н., D_с.к. - средний диаметр трубы до и после деформации.

Подставив (4) и (6) в (5), получают выражение для

где
ψ^* = Eψ/σ_scp.;
E - модуль упругости материала трубы,
а следовательно, и технологические остаточные напряжения, возникающие в трубе в процессе пластического деформирования.

Практика показала, что изделия, полученные прессованием трубной заготовки из труднодеформируемых металлов и сплавов, особенно из дисперсно-упрочненного композиционного материала (ДУКМ), часто разрушаются уже после обработки. Наибольшую опасность с точки зрения разрушения представляют растягивающие окружные остаточные напряжения в поверхностных слоях. Из условия предотвращения последеформационного разрушения трубы от остаточных напряжений находят зависимость

по которой определяют средний радиус трубной заготовки по заданному среднему радиусу готовой трубы.

На фиг. 1 изображен продольный разрез прессуемой заготовки; на фиг. 2 приведены графические зависимости R_сзаг./R_стр., полученные из расчета по формуле (8), для труб из материалов, параметр ψ^* которых имеет следующие значения: 1-ψ^*= 0,25 ; 2- 0,30; 3- 0,3389; 4- 0,35; 5- 0,40; 6- 0,45. Расчет выполнен для μ = 0,31.

Пример конкретной реализации.

Необходимо получить трубу из ДУКМ на основе порошковой меди с ψ^* = 0,3389 размером 16 х 1 мм (R_1тр. = 8,5 мм; R_2тр. = 7,5 мм, тогда R = 0,88). По известным значениям по фиг. 2 (кривая 3) определили R_с.заг./R_с.тр. = 1,41, либо рассчитали по формуле (8). Из условия сохранения сплошности трубы и ее прочности следует R_с.заг./R_с.тр.≤1,41, т.е. выбрали R_с.заг. = 1,4 • R_с.тр., т.к. R_с.тр. = 8 мм, то R_с.заг. = 11,2 мм. Осуществили прессование рассчитанной заготовки и получили сплошную трубу с качественной поверхностью.

При изготовлении труб из труднодеформируемых металлов и сплавов, особенно из ДУКМ, по предлагаемому способу обеспечивается прочность готовых труб, улучшается качество поверхности и эксплуатационные свойства изделий за счет снижения вероятности их растрескивания и последеформационного разрушения, повышаются пластические свойства материала трубы за счет снижения уровня остаточных напряжений, возникающего при пластическом деформировании прессованием, снижаются отходы металла в брак.

Изобретение может быть использовано при изготовлении труб из труднодеформируемых металлов прессованием. При изготовлении труб из труднодеформируемых металлов и сплавов средний радиус трубной заготовки выбирают по заданному среднему радиусу готовой трубы исходя из следующей зависимости , где R_сзаг = (R_1заг + R_2заг)/2 - средний радиус трубной заготовки, мм; R_стр = (R_1тр + R_2тр)/2 - средний радиус готовой трубы, мм; R_1заг, R_2заг, R_1тр, R_2тр - наружный и внутренний радиус трубной заготовки и готовой трубы соответственно, мм; μ - коэффициент Пуассона материала трубы; ψ^* - безразмерный параметр, характеризующий механические и физические свойства материала трубы; - относительный параметр, характеризующий толщину стенки готовой трубы; Изобретение позволяет предотвратить последеформационное разрушение прессованных труб от остаточных напряжений. 2 ил.

Способ изготовления труб из труднодеформируемых металлов и сплавов прессованием, отличающийся тем, что средний радиус трубной заготовки определяют по заданному среднему радиусу готовой трубы, исходя из зависимости

где R_с.заг. = (R_1заг + R_2заг)/2 - средний радиус трубной заготовки, мм;
R_с.гр = (R_1тр + R_2тр)/2 - средний радиус готовой трубы, мм;
R_1заг, R_2заг, R_1тр, R_2тр - наружный и внутренний радиус трубной заготовки и готовой трубы соответственно, мм; μ - коэффициент Пуассона материала трубы; ψ^* - безразмерный параметр, характеризующий механические и физические свойства материала трубы;
относительный параметр, характеризующий толщину стенки готовой трубы;
а