СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2002 года по МПК B21H1/06 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления кольцевых заготовок для деталей газотурбинных двигателей, и может найти применение в отраслях машиностроительной промышленности, где изготавливаются кольцевые изделия конусообразной формы, в том числе сложноступенчатых сечений.

Известен способ изготовления профилированных кольцевых изделий посредством раскатки на одноклетевых кольцепрокатных станах с параллельным расположением осей вращения деформирующих валков и центрирующих роликов [1]. Этот способ позволяет получать кольцевые изделия с фигурными сечениями, однако эти сечения, как правило, симметричны относительно оси, проходящей через середину высоты сечения.

Недостаток этого способа - невозможность получения им кольцевых изделий конусообразной формы, в особенности - с тонкостенными сложноступенчатыми сечениями из-за невозможности обеспечения разворота таких сечений.

Известен способ изготовления кольцевых изделий, позволяющий получать кольца конусообразной формы с трапецеидальными и сложноступенчатыми сечениями [2]. Этот способ реализуется на одноклетевом кольцепрокатном стане с параллельными осями вращения конусообразных деформирующих валков, с обратным расположением оснований и разной конусностью. Один из валков - цельный приводной, имеет конусность, определяемую зависимостью

где d_З и D_З - наименьший и наибольший диаметры конической поверхности раскатываемой заготовки, соприкасающейся с приводным валком, после разворота сечения мм;
d_В и D_В - наименьший и наибольший диаметры части конической поверхности приводного валка, соприкасающейся с раскатываемой заготовкой, мм.

Другой валок, нажимной, выполнен в виде оси с размещенными на ней с возможностью независимого вращения дисками, набранными в пакет, зафиксированный от осевого перемещения.

В качестве исходных при этом используются цилиндрические заготовки прямоугольного сечения (сварные или бесшовные), подвергающиеся пред деформацией общему печному нагреву (общему - в смысле не локальному, как, например, при индукционном нагреве).

Процесс раскатки нагретых заготовок в способе осуществляется в две стадии, на первой из которых за счет начального неравномерного по высоте сечения обжатия осуществляют разворот сечения на заданный угол, а на второй стадии за счет дальнейшего равномерного по высоте сечения обжатия осуществляют одновременное равномерное увеличение диаметров заготовки по всей высоте сечения до заданных значений. Обе стадии раскатки осуществляются непрерывно одна за другой.

Недостатком указанного способа является то, что в процессе его реализации на стандартных кольцепрокатных станах при центрирующих роликах с осями вращения, параллельными осям вращения приводного и нажимного валков, раскатываемое изделие при вращении в деформирующих валках пересекает центрирующие ролики под непрерывно меняющимся углом (в стадии разворота сечения), либо даже утрачивает контакт с ними (это зависит от изменений угла α и диаметров d_З и D_i), вследствие чего качение его по роликам резко затрудняется или даже возникает проскальзывание, биение, нарушается устойчивость. При этом использование достаточно больших скоростей раскатки очень осложняется, а это влечет за собой быстрое охлаждение нагретых деформируемых изделий, необходимость подогревов и существенное увеличение продолжительности технологического процесса, а также затрудняет получение точных размеров в конечной продукции.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности свободного и устойчивого качения раскатываемого изделия по поверхностям центрирующих роликов в течение всего процесса раскатки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что изготовление кольцевых изделий производят на одноклетевом кольцепрокатном стане с параллельными осями деформирующих валков, когда после общего нагрева раскатку исходных цилиндрических заготовок осуществляют в конусообразных деформирующих валках с противоположным расположением оснований и разной конусностью, один из которых - приводной, выполнен цельным, а другой - нажимной - в виде оси с размещенными на ней с возможностью независимого вращения дисками, набранными в пакет, зафиксированный от осевого перемещения, при этом процесс раскатки осуществляется в две стадии, на первой из которых за счет начального неравномерного по высоте сечения обжатия осуществляют разворот сечения на заданный угол, а на второй стадии за счет дальнейшего равномерного по высоте сечения обжатия производят одновременное равномерное увеличение диаметров заготовки по всей высоте сечения до заданных значений, обе стадии раскатки выполняют непрерывно, одну за другой, а приводной деформирующий валок выполняют с конусностью, которую определяют, исходя из следующей зависимости:

Вместе с тем указанный технический результат достигается также за счет использования двух центрирующих роликов особой конструкции, размещенных симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков, и за счет такого монтажа их в пространстве, при котором оси вращения их наклоняются по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков, и к другой вертикальной плоскости, перпендикулярной первой, причем точка пересечения осей вращения центрирующих роликов всегда находится в вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков.

В начальной стадии раскатки (до полного разворота сечения) оси вращения центрирующих роликов пересекаются в точках, располагающихся между осями приводного и нажимного валков, а в конце первой стадии раскатки (по достижении полного разворота сечения) - в точке, располагающейся на оси приводного валка и совпадающей с точкой вершины конуса, образуемого конической поверхностью приводного валка, а в течение всей второй стадии - в точках, располагающихся за пределами зоны, ограниченной осями приводного и нажимного валков.

Центрирующие ролики сконструированы так, что торцевые плоскости их представлены как плоскости оснований двух одинаковых усеченных конусов, вершины которых в стадии полного разворота сечения кольцевого изделия совпадают с вершиной конуса, образуемого конической поверхностью приводного валка. Вместе с тем, центрирующие ролики сконструированы так, что боковая поверхность их является бочкообразной, с радиусом R линии в осевом сечении, образующей поверхность бочки, определяемой по выражению
R≈D_В
и с диаметром нижнего основания (d_p), определяемым по выражению
d_p≈0,25D_В
Отличительной особенностью предлагаемого способа является также то, что вследствие бочкообразности центрирующих роликов свободное качение кольцевых изделий по их боковым поверхностям обеспечивается в течение всего процесса раскатки, не взирая на то, что угол наклона кольцевого изделия к горизонтали и угол разворота сечения непрерывно изменяются в определенном диапазоне.

При необходимости, способ может реализовываться только в пределах первой стадии раскатки - до достижения необходимого угла разворота сечения.

Таким образом, при оснащении одноклетевого кольцепрокатного стана, выполненном в соответствии со способом-прототипом и предложенными конструктивными изменениями центрирующих роликов и их монтажа, возможности реализации предлагаемого способа раскатки кольцевых изделий конусообразной формы становятся близкими к возможностям реализации раскатки цилиндрических кольцевых изделий на стандартных станах с параллельными осями деформирующих валков и центрирующих роликов.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что процесс раскатки в нем от начала до конца осуществляется при свободном качении раскатываемых изделий по поверхностям центрирующих роликов независимо от того, что угол наклона кольцевых изделий к горизонтали и угол разворота сечения непрерывно изменяются в определенном диапазоне. Как видно, в способе-прототипе этого достоинства нет.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 и 2 представлены схемы взаимного расположения заготовки (1), деформирующих валков (2 и 3) и центрирующих роликов (4) в начале и в конце первой стадии раскатки.

Способ осуществляется следующим образом. Исходная цилиндрическая заготовка (сварная или бесшовная) подвергается общему нагреву в нагревательной печи. Нагретую заготовку 1 устанавливают на стан в конусообразные деформирующие валки 2 и 3 с противоположным расположением оснований и разной конусностью, один из которых, цельный приводной (2), а другой - наборный прижимной (3). Затем включается вращение приводного валка 2 и прижатие заготовки нажимным валком 3 с одновременным подведением центрирующих роликов 4. В начальный момент исходная цилиндрическая заготовка 1 располагается на стане горизонтально. Небольшой наклон по отношению к горизонтальной плоскости заготовка может получить уже в момент сближения деформирующих валков (фиг.1) до зазора, равного ее толщине (это зависит от исходных размеров заготовки и конусности деформирующих валков).В самом начале раскатки (на первой стадии) исходная цилиндрическая заготовка по высоте начинает деформироваться в зоне нижнего (большого) основания. При этом, по мере увеличения обжатия, высота очага деформации постепенно увеличивается от нуля до полной высоты заготовки, сечение заготовки разворачивается на некоторый угол, а сама заготовка меняет свою внешнюю форму цилиндра на форму усеченного конуса с плавноменяющейся (уменьшающейся) толщиной стенки от верхнего (малого) основания к нижнему (большому). Первая стадия раскатки заканчивается в момент, когда высота очага деформации становится равной высоте самой заготовки, а разворот сечения прекращается. Дальнейшее обжатие соответствует второй стадии раскатки, на которой происходит только равномерное дальнейшее увеличение всех диаметров заготовки по высоте сечения и дальнейшее уменьшение толщины сечения на равную величину по всей высоте его.

Центрирующие ролики в начальный момент раскатки ориентируются в пространстве так, что оси вращения их пересекаются в точке вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков, которая pacпoлaгается между осями нажимного и приводного валков. В конце первой стадии раскатки эта точка совмещается с вершиной конуса, образуемого приводным валком. Затем, по мере раскатки во второй стадии, точка пересечения осей центрирующих роликов, оставаясь все в той же вертикальной плоскости, в которой была изначально, выходит за пределы зоны между осями приводного и нажимного валков в сторону, противоположную стороне, в которой находится нажимной валок.

Конструктивно центрирующие ролики представляют собой тела вращения, по форме близкие к усеченным параболоидам (т.е. их боковая поверхность образуется не прямой линией, как у конуса, а параболой, как у параболоида). При этом линия, проведенная через точки пересечения отрезка ветви параболы с линиями, обозначающими плоскости оснований роликов, должна проходить через точку вершины воображаемого конуса, образуемого приводным коническим валком 2. Т.е. эта линия должна быть образующей воображаемого конуса центрирующего ролика, вершина которого совпадает с вершиной воображаемого конуса, образуемого приводным валком 2, а основание этого воображаемого конуса совпадает с нижним (большим) основанием параболоидного центрирующего ролика, в то время как верхнее (малое) основание его совпадает по диаметру с окружностью воображаемого конуса, которая образуется при пересечении его плоскостью верхнего (малого) основания.

Для упрощения изготовления центрирующих роликов отрезок кривой, являющийся их образующей и описываемый уравнением параболы
у²=2рх,
можно представить в виде кривой с постоянным значением радиуса кривизны (а не с переменным, как у параболы)
R≈D_В,
а диаметр нижнего (большого) основания принять равным
d_p≈0,25D_B
Диаметр верхнего (малого) основания при заданной высоте будет равен диаметру сечения воображаемого конуса в зоне пересечения его с плоскостью верхнего (малого) основания центрирующего ролика.

Предлагаемый способ изготовления изделий с обеспеченной возможностью их свободного и устойчивого качения по поверхностям пары центрирующих роликов в течение всего процесса раскатки опробован на модели одноклетевого кольцепрокатного стана с параллельными осями деформирующих валков и наклонными осями центрирующих роликов. На модель рабочей зоны стана в масштабе 1:2, представляющую собой сблокированную систему деформирующих валков и центрирующих роликов с механизмами для обеспечения их рабочих движений (обжатия, вращения), поочередно устанавливалась модель исходной цилиндрической заготовки (фиг.1) и модель выточенной конической заготовки (которая могла бы получиться за счет раскатки на реальном стане) (фиг.2). Вращение заготовок было свободным и устойчивым.

Использование предлагаемою способа изготовления кольцевых изделий обеспечивает существенное расширение технологических возможностей кольцевой раскатки на типовых одноклетевых кольцепрокатных станах с параллельными осями деформирующих валков за счет обеспечения раскатки кольцевой продукции конусообразной формы.

Источники информации
1. Зубков А.И, Лебедев Б.И. и др. Производство кольцевых заготовок. - М. : ЦНИИинформации, 1980, с. 64.

2. Патент РФ 2025180, кл. В 21 Н 1/06.

Изобретение относится к области обработки давлением, в частности к способам изготовления кольцеобразных изделий. Исходные цилиндрические заготовки нагревают и раскатывают в конусообразных деформирующих валках с противоположным расположением оснований конуса и разной конусностью. Один из деформирующих валков - приводной, а второй - нажимной. Раскатку ведут в две стадии, на первой из которых за счет начального неравномерного по высоте сечения обжатия его разворачивают на заданный угол. На второй стадии - за счет дальнейшего равномерного по высоте сечения обжатия одновременно равномерно увеличивают диаметры заготовки по всей высоте сечения. Используют два центрирующих ролика, которые размещают симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков. Оси вращения центрирующих роликов располагают наклонно по отношению к упомянутой вертикальной плоскости и к перпендикулярной ей вертикальной плоскости с обеспечением постоянного расположения точки пересечения данных осей вращения в вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков. В результате обеспечивается возможность свободного и устойчивого качения изделия по поверхности центрирующих роликов в течение всего процесса раскатки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления кольцевых изделий на одноклетевом кольцепрокатном стане с параллельными осями деформирующих валков, включающий общий нагрев и раскатку исходных цилиндрических заготовок в конусообразных деформирующих валках с противоположным расположением оснований конуса и разной конусностью, один из которых - приводной, выполнен цельным, а второй - нажимной - в виде оси с размещенными на ней с возможностью независимого вращения дисками, набранными в пакет, зафиксированный от осевого перемещения, при этом процесс раскатки осуществляют в две стадии, на первой из которых за счет начального неравномерного по высоте сечения обжатия осуществляют разворот сечения на заданный угол, а на второй стадии за счет дальнейшего равномерного по высоте сечения обжатия производят одновременное равномерное увеличение диаметров заготовки по всей высоте сечения до заданных значений, обе стадии раскатки выполняют непрерывно, одну за другой, а приводной деформирующий валок выполняют с конусностью, которую определяют, исходя из следующей зависимости:

где d₃ и D₃ - наименьший и наибольший диаметры конической поверхности раскатываемой заготовки, соприкасающейся с приводным валком, после разворота сечения, мм;
d_B и D_B - наименьший и наибольший диаметры части конической поверхности приводного валка, соприкасающейся с раскатываемой заготовкой, мм,
отличающийся тем, что используют два центрирующих ролика, размещенных симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков, при этом оси вращения центрирующих роликов располагают наклонно по отношению к упомянутой вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков, и к перпендикулярной ей вертикальной плоскости с обеспечением постоянного расположения точки пересечения осей вращения центрирующих роликов в вертикальной плоскости, проходящей через оси вращения деформирующих валков. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что точку пересечения центрирующих роликов в начале первой стадии раскатки располагают между осями деформирующих валков, в конце первой стадии раскатки - на вершине конуса, образуемого конической поверхностью приводного деформирующего валка, а в течение всей второй стадии раскатки - за пределами зоны, ограниченной осями приводного и нажимного деформирующих валков. 3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что торцевые плоскости центрирующих роликов выполняют в виде оснований двух одинаковых усеченных конусов, вершины которых в конце первой стадии раскатки совпадают с вершиной конуса, образованного конической поверхностью приводного валка, а основания совпадают с нижними торцевыми плоскостями центрирующих роликов. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что центрирующие ролики выполняют бочкообразными с радиусом R образующей поверхности бочки и диаметром нижнего основания d_р, которые определяют из следующих выражений:
R≈D_B,
d_p≈0,25D_B.