ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ТРУБ СО СВАРКОЙ Российский патент 2008 года по МПК B21C23/08 B21C25/00 

Заявляемое изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно - к изготовлению труб методом горячего прессования.

В процессе прессования помещенная в контейнер заготовка под действием пуансона выдавливается в кольцевой зазор, образованный матрицей и оправкой. Наиболее эффективным и распространенным способом производства горячепрессованных труб является прессование на специальных гидравлических прессах (экструдинг-прессах), снабженных независимым приводом для перемещения оправки (называемым прошивной системой). Так получают трубы из стали, легких и цветных сплавов.

Однако при изготовлении этим способом тонкостенных труб и труб малого диаметра (особенно на прессах горизонтального исполнения) качество изделий существенно снижается из-за увеличения их поперечной и продольной разностенности, причиной которой являются отклонения от соосности оправки и матрицы при их установке на пресс и при перемещении оправки в процессе прессования, а также продольный изгиб оправки под действием неравномерного по контуру ее сечения давления со стороны металла заготовки.

С целью обеспечения требуемого качества таких труб по показателю разностенности их прессование осуществляют с помощью инструмента, включающего так называемые комбинированные матрицы с короткой вмонтированной иглой. При образовании кольцевого зазора для выдавливании трубы эта игла выполняет роль оправки. Таким образом, исключается необходимость в использовании длинномерных приводных оправок, подаваемых к матрице через полый пресс-штемпель и заготовку. Комбинированные матрицы за счет обеспечения в них наилучшей соосности иглы и рабочего канала матрицы позволяют получать трубы с минимальной разностенностью. Эти матрицы имеют и другие преимущества: применение для прессования более дешевой сплошной заготовки, возможность использования более простого по конструкции оборудования - прутково-профильных экструдинг-прессов, не имеющих специального привода для оправки.

В качестве аналога предлагаемого изобретения следует привести прессовый инструмент с комбинированной матрицей, выполненной по одному из возможных вариантов ее конструкции, а именно по варианту камерной матрицы (Гильденгорн М.С., Керов В.Г., Кривонос Г.А. Прессование со сваркой полых изделий из алюминиевых сплавов. - М., Металлургия, 1975, с.52-54, рис.7-г). Камерная матрица является сборной конструкцией и состоит из основания с установленным в нем матричным кольцом (собственно матрицей) и помещенного перед основанием цилиндрического рассекателя с короткой иглой. Игла может закрепляться в рассекателе или быть выполненной с ним как одна деталь. Основание, рассекатель и игла образуют камеру сварки, вход в которую обеспечивается расположенными в рассекателе концентрично по окружности каналами-питателями.

При прессовании трубы с помощью этого инструмента металл сплошной нагретой заготовки, проходя под действием пуансона через каналы-питатели рассекателя, разделяется на отдельные потоки. Попадая в камеру сварки, эти потоки встречаются, под действием давления прессования происходит сварка металла в местах контакта потоков и выдавливание металла через кольцевой зазор между цилиндрическими поверхностями рабочего канала матрицы и иглы. Отпрессованная таким образом труба имеет продольные сварные швы по числу каналов-питателей, в связи с чем способ изготовления труб с использованием комбинированных матриц получил название прессования со сваркой. Из-за этой сварки исключается применение технологической графитовой смазки для иглы, что способствует повышению качества внутренней поверхности труб и снижению опасности возникновения на них связанных с такой смазкой дефектов. Наибольшее распространение этот процесс получил при изготовлении труб и полых профилей из легких (главным образом - алюминиевых), а также некоторых цветных сплавов. Существующие методики расчета оптимальных технологических параметров прессования со сваркой и калибровки комбинированных матриц обеспечивают высокую прочность сварных швов на прессованных изделиях из этих материалов.

Главным недостатком описанного аналога (камерная матрица) как и других видов комбинированных матриц с вмонтированной иглой по сравнению с матрицами трубных экструдинг-прессов является пониженная прочность и соответственно укороченный срок службы таких матриц, что вызвано достаточно сложной их конструкцией и повышенными давлениями при прессовании со сваркой. В связи с этим одной из основных задач усовершенствования прессового инструмента, использующего комбинированные матрицы, является снижение рабочих нагрузок на матрицу.

Одним из других аналогов предлагаемого изобретения, обеспечивающих решение указанной задачи, является инструмент, в котором рассекатель комбинированной матрицы с внешней стороны снабжен длинным цилиндрическим хвостовиком (фальш-оправкой), входящим при прессовании в отверстие полого пресс-штемпеля (авторское свидетельство СССР № 275982 «Инструмент для изготовления полых профилей», опубликовано 14.07.1970, Бюллетень № 23). Для прессования используется полая заготовка. Эффект снижения рабочих нагрузок на матрицу достигается за счет уменьшения степени деформации (вытяжки) и благодаря разгрузке от значительного силового воздействия центральной зоны рассекателя.

Однако и этот аналог имеет серьезный недостаток. Наличие на рассекателе длинного хвостовика значительно затрудняет отделение пресс-остатка после каждого прессования. Осуществление этой операции обычным способом, а именно с помощью ножа-отсекателя на передней траверсе пресса, вообще становится невозможным. Приходится либо прибегать к прессованию без отделения пресс-остатка, что чревато возрастанием опасности появления на изделиях различных дефектов (см. ниже), либо производить это отделение путем отрыва остающегося в контейнере пресс-остатка от металла заготовки, находящегося в камере сварки, ходом контейнера. В последнем случае, во-первых, необходимо увеличение длины пресс-остатка, во-вторых, требуется существенное усиление приводов перемещения контейнера и прижима матричного блока к передней траверсе пресса, и, наконец, в-третьих, такой отрыв, происходящий обычно в каналах-питателях рассекателя, нередко является причиной разрушения последнего.

Прототипом заявляемого изобретения является прессовый инструмент по патенту США № 3213662, 1965 г. (Гильденгорн М.С., Керов В.Г., Кривонос Г.А. Прессование со сваркой полых изделий из алюминиевых сплавов. - М., Металлургия, 1975, с.68-69, рис.26). В этом инструменте вместо хвостовика рассекателя по описанному выше аналогу в роли фальш-оправки применена оправка, связанная с прошивной системой экструдинг-пресса. При прессовании эта оправка упирается в плоский торец рассекателя камерной матрицы, а перед отделением прессостатка отводится назад, что делает возможным производить это отделение по торцу рассекателя с помощью упомянутого выше ножа.

Следует уточнить, что при прессовании через комбинированные матрицы с вмонтированной иглой с применением фальш-оправок любого конструктивного исполнения центральная зона рассекателя разгружается от силового воздействия лишь частично. Вместо давления от технологического усилия на пуансоне здесь на неподвижную при прессовании фальш-оправку действует усилие, создаваемое трением по ней металла заготовки.

И, наконец, при любом варианте прессования полых изделий через комбинированные матрицы с вмонтированной иглой (в том числе, как при прессовании с отделением пресс-остатка, так и при полунепрерывном прессовании «слиток за слитком») существует повышенная опасность появления на изделиях дефектов в виде пузырей, расслоений и плен. Это объясняется тем, что здесь камера сварки и формирующий сечение изделия зазор между матричным кольцом и иглой всегда заполнены металлом. В результате при осадке в контейнере (распрессовке) очередной заготовки чрезвычайно затруднен выход находящегося в контейнере воздуха в атмосферу, из-за чего отдельные пузырьки воздуха могут попадать внутрь объема прессуемого металла.

Задачами предлагаемого изобретения для прессования труб со сваркой являются снижение давления прессования, максимальная разгрузка центральной зоны камерной матрицы и упрощение конструкции последней для повышения стойкости матриц, снижения трудоемкости их изготовления и соответственно сокращения расходов на прессовый инструмент, упрощение операции отделения пресс-остатка, обеспечение возможности прессования как с отделением прессостатка, так и полунепрерывного прессования, существенное снижение опасности возникновения дефектов на прессуемых трубах от запрессовки воздуха, создание возможности использования для прессования труб через камерные матрицы из полых заготовок помимо трубных экструдинг-прессов с прошивной системой более простых по конструкции и более дешевых прутково-профильных прессов. При всем этом естественно должны быть сохранены условия, обеспечивающие получение труб с минимальной разностенностью.

Достижение этих задач при применении предлагаемого устройства, в первую очередь, обеспечивается тем, что оно представляет собой прессовый инструмент, сочетающий в себе способы прессования на обычных прессовых оправках и через камерные матрицы. В нем отсутствует короткая игла, монтируемая на рассекателе матрицы, и используется обычная длинномерная оправка. Прессовый инструмент содержит контейнер с нагревателем, полый пресс-штемпель с пресс-шайбой, подвижную оправку и камерную матрицу. Матрица состоит из основания с установленным в нем матричным кольцом и примыкающего к основанию со стороны пресс-штемпеля цилиндрического рассекателя, образующего вместе с основанием камеру сварки и снабженного концентрично расположенными по окружности каналами-питателями. Рассекатель матрицы имеет центральное цилиндрическое отверстие для прохода и центровки оправки, которая через это отверстие входит в рабочий канал матричного кольца, формируя с последним кольцевой зазор для выдавливания трубы. На поверхности отверстия рассекателя выполнены продольные пазы. Каналы-питатели камеры сварки образуются этими пазами и оправкой.

Снижение давления прессования в предлагаемом устройстве обусловлено наличием оправки и использованием полой заготовки. Полная разгрузка центральной зоны рассекателя обеспечивается выполнением в нем отверстия и применением подвижной оправки, благодаря чему исключается трение по ней металла заготовки. Упрощение конструкции и повышение прочности матрицы связано с отсутствием вмонтированной в ее рассекатель иглы и заменой каналов-питателей в виде отверстий в теле рассекателя на открытые продольные пазы на поверхности его отверстия. Минимальная разностенность прессуемых труб гарантирована тем, что соосность оправки и матричного кольца обеспечивается центрацией оправки в отверстии рассекателя в непосредственной близости от этого кольца.

Пример выполнения заявляемого прессового инструмента в варианте прессования на горизонтальном прессе с прошивной системой и с отделением пресс-остатка представлен на чертеже. Инструмент изображен в положении, соответствующем моменту начала выдавливания трубы.

Инструмент включает контейнер 1 с нагревателем 2, помещаемый в контейнеродержатель пресса, полый пресс-штемпель 3, устанавливаемый на прессующей траверсе пресса, свободно располагаемую в контейнере перед пресс-штемпелем пресс-шайбу 4, скрепляемую со штангой прошивной системы, проходящую через полый пресс-штемпель оправку 5, и камерную матрицу, помещаемую в обойму расположенного на передней траверсе пресса матрицедержателя. Матрица состоит из основания 6 с помещенным в нем матричным кольцом 7 и находящегося перед основанием полого цилиндрического рассекателя 8 с открытыми продольными пазами на внутренней поверхности,

Прессование с использованием представленного инструмента осуществляется следующим образом.

Перед первым прессованием контейнер 1 с помощью встроенного в него нагревателя 2, а также камерная матрица и пресс-шайба 4 в отдельной печи подогреваются до заданной рабочей температуры. Матрица устанавливается в обойму матрицедержателя. Контейнер прижимается к матричному блоку. Пресс-штемпель 3 и оправка 5 отведены в крайнее заднее положение. В полость контейнера загружаются нагретая полая заготовка и пресс-шайба. Пресс-штемпель подводится к пресс-шайбе. Оправка перемещается вперед и останавливается перед входом в отверстие рассекателя 8 матрицы. Под действием пресс-штемпеля (при неподвижной оправке) происходит распрессовка заготовки в контейнере. После этого оправка перемещается еще вперед и вводится в рабочий канал находящегося в основании 6 матрицы матричного кольца 7. Осуществляется рабочий ход пресс-штемпеля, в процессе которого оправка движется вперед вместе с последним. Металл заготовки через каналы-питатели, образованные рассекателем и оправкой, отдельными потоками вытесняется в камеру сварки матрицы. В этой камере под действием давления прессования происходит сварка потоков, и металл заготовки выдавливается через образованный матричным кольцом и оправкой кольцевой зазор, образуя трубу с продольными швами. Прессование производится без смазки оправки. В конце рабочего хода после остановки пресс-штемпеля и оправки в контейнере остается недопрессованная часть заготовки - пресс-остаток.

Оправка выводится из матрицы и возвращается в заднее положение. При неподвижном пресс-штемпеле контейнер отводится от матричного блока. В результате пресс-остаток и примыкающая к нему пресс-шайба оказываются освобожденными из контейнера. Затем пресс-штемпель перемещается назад. Отделение пресс-остатка от металла заготовки, находящегося в продольных пазах рассекателя и в камере сварки, осуществляется по торцу рассекателя обычным способом - с помощью смонтированного на передней траверсе пресса отрезного устройства с ножом-отсекателем. Контейнер вновь прижимается к матричному блоку. Инструмент оказывается готовым к следующему прессованию.

С помощью такого инструмента возможно изготовление труб и без отделения пресс-остатка - так называемым полунепрерывным прессованием «слиток за слитком». В этом случае пресс-шайба должна быть скреплена с пресс-штемпелем, а при каждом последующем (вслед за первым) прессовании в процессе распресс-овки заготовки конец иглы должен находиться перед торцом пресс-остатка предыдущей прессовки.

Существенное снижение опасности возникновения дефектов на трубах от запрессовки воздуха при прессовании с использованием описанного инструмента достигается тем, что в процессе распрессовки заготовки в контейнере находящийся в нем воздух может вытесняться в атмосферу через канал, создаваемый отверстием в рассекателе и образующейся после отвода иглы цилиндрической полостью в находящейся в камере сварки массе прессуемого металла.

Заявляемое устройство может быть использовано и при прессовании труб со сваркой на экструдинг-прессах без прошивной системы - прутково-профильных прессах. В этом случае оправка должна закрепляться на пресс-штемпеле.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно - к инструментам для изготовления труб методом горячего прессования. Инструмент содержит контейнер с нагревателем, полый пресс-штемпель с пресс-шайбой, подвижную оправку и камерную матрицу. Рассекатель матрицы имеет центральное цилиндрическое отверстие для прохода и центровки оправки. Кольцевой зазор для выдавливания трубы образован центральным цилиндрическим отверстием рассекателя и рабочим каналом матричного кольца. На поверхности отверстия рассекателя выполнены продольные пазы, а каналы-питатели камеры сварки образованы этими пазами и оправкой. Повышается качество труб при снижении давления прессования. 1 ил.

Инструмент для прессования труб со сваркой, содержащий контейнер с нагревателем, полый пресс-штемпель с пресс-шайбой, подвижную оправку и камерную матрицу, состоящую из основания с установленным в нем матричным кольцом с рабочим каналом и примыкающего к основанию со стороны пресс-штемпеля цилиндрического рассекателя, образующего вместе с основанием камеру сварки и имеющего концентрично расположенные по окружности каналы - питатели, отличающийся тем, что рассекатель матрицы выполнен с центральным цилиндрическим отверстием для прохода оправки в рабочий канал матричного кольца, ее центровки и формирования с упомянутым рабочим каналом кольцевого зазора для выдавливания трубы, на поверхности центрального цилиндрического отверстия рассекателя выполнены продольные пазы, а каналы-питатели образованы упомянутыми продольными пазами и оправкой.