СОСТАВНАЯ ВОЛОКА ДЛЯ ВОЛОЧЕНИЯ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК B21C1/00 

Изобретение относится к волочильному производству получения высокоточных полосовых электротехнических профилей, конкретно - к составному инструменту для изготовления медных шин прямоугольного поперечного сечения.

Известно, что довольно значительный период времени указанные профили получали одно-двухразовым волочением горячекатаных или горячепрессованных заготовок через цельные (другое название - монолитные) волоки, выполненные из незакаленных хромсодержащих высокоуглеродистых инструментальных сталей (марок X12, Х12М, Х12Ф, ШХ15 и др.), имеющих невысокую эксплуатационную стойкость, или из значительно более износостойких металлокерамических твердых сплавов (марок ВК8, ВК10, ВК15 и др.) [1, 3]. Основной недостаток этих двух вариантов волочильного инструмента - необходимость весьма трудоемкой ручной доводки размеров, а также немеханизированных шлифовки и полировки канала волок, особенно для выполненных из твердых сплавов; кроме того, твердосплавную вставку требовалось надежно закрепить в стальной обойме одним из способов - горячей посадкой, пайкой латунью и др.

В последующем известное применение получил составной волочильный инструмент, который обладает определенными достоинствами по сравнению с цельными волоками [2, 4, 5]:

- возможностью применения механической обработки (фрезерования, шлифовки, полировки) элементов волок, главным образом - рабочих вкладышей;

- возможностью (разумеется, в ограниченных пределах) корректировать размеры протягиваемых профилей;

- простотой и удобством реставрации рабочих вкладышей при их износе в процессе волочения;

- несложностью перешлифовки рабочих вкладышей для волочения другого, близкого по размерам поперечного сечения профиля.

Особенности конструкций составных волок связаны, как правило, с их назначением. Волочильный канал составных волок для получения простых фасонных профилей (квадрат, шестигранник) образован закрепленными в стальных сухарях твердосплавными вкладышами; сухари, в свою очередь, установлены в обойме [2]. При наличии клинового или винтового регулировочного механизма возможности составных волок несколько расширяются, однако такие конструкции широкого распространения в волочильном производстве не получили [4], а для изготовления профилей электротехнического назначения из меди и медных сплавов, к которым предъявляются повышенные требования, их следует признать практически непригодными.

При проектировании, изготовлении и эксплуатации составных волок, особенно предназначенных для получения продукции повышенных категорий качества, исполнители сталкиваются с противоречивыми требованиями: с одной стороны, необходимо обеспечить высокую размерную точность и надлежащее качество поверхности изделий, фиксируя точно обработанные, желательно - полированные, вкладыши в жесткой обойме, а с другой стороны - предусмотреть возможность регулирования размеров волочильного канала путем незначительной корректировки (смещения положения вкладышей), чтобы компенсировать вероятные погрешности изготовления и сборки элементов волоки и износ канала в процессе эксплуатации [4, 5].

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению и выбранной в качестве прототипа является составная волока, представленная в [6]. Волока предназначена для волочения трапецеидальных профилей, например коллекторных полос из меди и медных сплавов и состоит из рабочих вкладышей (в прототипе они названы вставками) и прокладок между ними, названные элементы закреплены в обойме клиньями и винтами; волока выполнена с разъемом между рабочими вкладышами и прокладками на противоположных сторонах трапеции.

Известное техническое решение, разработанное для волочения коллекторных профилей и применяемое впоследствии без прокладок между рабочими вкладышами, может эффективно использоваться для получения именно коллекторных полос, поскольку в местах разъема вкладышей на основаниях трапецеидального сечения профиля практически неизбежно появление рисок или выступов, которые допускаются не только по ГОСТ 4134-75 [7], но даже предусмотрены в более жестких в сравнении с указанным стандартом ТУ [8]. Однако существенным недостатком известного технического решения по прототипу является невозможность его использования для волочения медных шин - одного из массовых видов продукции заводов цветметобработки, так как ни на малых, ни на больших гранях шин выступы, согласно ГОСТ 434-78 [9], не допускаются.

Ситуация особенно усложняется в трех следующих случаях:

- при изготовлении для зарубежных заказчиков медных шин не предусмотренного российским стандартом полутвердого состояния, которые поставляются согласно техническим требованиям европейского стандарта ENBS 1432:1977 [10], более строгим по сравнению с требованиями российского ГОСТ;

- при выпуске медных шин с повышенной чистотой поверхности, на которые в производстве завода-потребителя с целью повышения их электротехнических характеристик наносится электролитическое серебряное покрытие;

- при необходимости гарантированного отсутствия выступов или рисок на большом и малом основаниях трапециевидного профиля коллекторных полос с целью повышения эксплуатационных характеристик продукции.

Задачей предлагаемого изобретения является гарантированное соблюдение повышенных требований нормативных документов к состоянию поверхности полосовых профилей, то есть выполнение условия отсутствия на них рисок и выступов при волочении этих профилей через составную волоку.

Поставленная задача решается тем, что прижатые друг к другу плоские контактирующие поверхности С-образных рабочих вкладышей выполнены с углом наклона по отношению к граням вкладышей, опирающимся на оппозитные поверхности клина и обоймы; кроме того, тангенс максимального угла наклона прижатых друг к другу контактирующих поверхностей рабочих вкладышей по отношению к упомянутым граням составляет tgγ_max=0,2В_о/Н, где В_о - номинальная ширина вкладыша без наклона контактирующих поверхностей; Н - длина вкладыша в направлении оси волочения.

На фиг.1 приведен общий вид составной волоки; на фиг.2 - ее поперечный разрез; на фиг.3 - поперечное сечение медной шины; на фиг.4 - поперечное сечение вкладышей по волочильному каналу. Волока (фиг.1) образована двумя С-образными рабочими вкладышами 1 и 2, формирующими волочильный канал 3 и прижатыми друг к другу плоскими контактирующими поверхностями 4 и 5, выполненными с углом наклона γ (фиг.4) по отношению к граням 6 и 7 рабочих вкладышей 1 и 2. Рабочие вкладыши 1 и 2 гранями 6 и 7 опираются на оппозитные поверхности клина 8 и обоймы 10 и закрепляются в обойме 10 клиньями 8 и 9 с помощью винтов 11 и 12.

Соединение поверхностей разъема 4 и 5 рабочих вкладышей 1 и 2 под углом γ к граням 6 и 7 вкладышей, то есть под углом к плоскости симметрии 13 (фиг, 1-4) протягиваемого через волочильный канал 3 прямоугольного профиля, показанного на фиг.3, гарантирует полное отсутствие каких-либо рисок и выступов на малых сторонах «а» получаемого профиля - в отличие от технического решения по прототипу, где образование дефектов такого рода практически неизбежно. Последнее подтверждается многолетней практикой выпуска заявителем промышленных партий коллекторных трапециевидных профилей из электротехнических бронз (кадмиевой, магниевой и др.) с использованием волоки по прототипу: в этом случае, как отмечено выше, техническими требованиями стандарта и ТУ допускается наличие рисок и выступов на малых сторонах профиля. Согласно требованиям ГОСТ 434-78 [9], а также европейского стандарта ENBS 12166 на поверхности медных прямоугольных шин - как на больших, так и на малых сторонах сечения - риски и выступы не допускаются. В производстве заявителя этого достигли применением составной волоки заявляемой конструкции, причем для решения производственных задач и организации промышленного выпуска широкого сортамента изделий с повышенными требованиями к состоянию их поверхности, востребованных предприятиями-заказчиками используются три формата составных волок - в зависимости от ширины шины, то есть от длины большой стороны сечения «в» (фиг.3); волокам присвоены соответствующие номера 1, 2 и 3 (табл.1 и 2). Далее приведено обоснование указанного в формуле изобретения тангенса максимального угла наклона контактирующих друг с другом поверхностей рабочих вкладышей по отношению к их опорным граням.

Расчет тангенса упомянутого угла наклона γ в общем случае ясен из фиг.4, из рассмотрения которой следует: tgγ=а/Н, где а - ширина калибрующего пояска волочильного канала, или, что то же самое - толщина профиля «а» (фиг.3); Н - полная длина волочильного канала, или, что то же самое - длина рабочего вкладыша в направлении оси волочения. Ниже приведен расчет максимальных значений угла γ для трех диапазонов ширины профилей «в», протягиваемых соответственно через волоки трех форматов; результаты расчета указаны в табл.2.

В частности для волоки формата №3 tgγ_max=а/Н=(4…20)/50=0,08…0,4; следовательно, γ_max=4,6…23 градуса. При номинальной ширине вкладыша В_о=35 мм и при выполнении плоскости разъема вкладышей под углом, соответствующим верхней границе диапазона γ_max=23°, фактическая ширина вкладыша составит B₁=B_o-0,4×H/2=35-10=25 мм, что недопустимо мало с учетом условия прочности. При выполнении плоскости разъема вкладышей под углом, соответствующим нижней границе диапазона γ_max=4,6°, ширина B₁=33 мм, что вполне удовлетворяет условию прочности. Ориентировочные расчеты коэффициентов запаса прочности и возможных величин прогиба вкладышей под нагрузкой показывают, что для недопущения опасного уровня этих характеристик фактическую толщину вкладыша можно уменьшить до допускаемого значения [B₁]=31,5 мм. Аналогичные расчеты проведены для волок форматов №1 и №2, результаты сведены в табл.2. При ориентировочном прочностном расчете принято [B₁]=0,9В_о, и тогда, используя соотношение B₁=В_о-tgγ×Н/2, несложно получить расчетную формулу тангенса максимального угла наклона, приведенную в формуле предлагаемого изобретения, а именно: tgγ_max=0,2В_о/Н.

Минимальное значение угла γ_min определяется технологической целесообразностью; его на основании наработанного на промышленных партиях практического опыта принимают γ_min=3 градуса. Такое значение γ_min вполне надежно обеспечивает недопущение на малых гранях полос рисок и выступов. При значениях γ<3° и вполне вероятных в условиях действующего производства отклонениях от номинальных размеров волочильного инструмента, погрешностях его сборки, а также износа в процессе эксплуатации на поверхности малых граней профиля возможно появление указанных дефектов, что недопустимо нормативными документами.

Таким образом, интервал предельных значений угла γ, обусловленный требованием решения поставленной задачи изобретения, представляется обоснованным.

В качестве примера конкретной реализации применения технического решения далее рассмотрено получение посредством волочения через заявленную составную волоку медной шины с размерами поперечного сечения 10×120 мм, относящейся к группе прямоугольных полос крупных сечений, то есть протягиваемых через волоку 3-го формата (табл.1 и 2). Заготовка для медной шины 10×120 мм, полученная горячим прессованием слитка полунепрерывного литья на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 20 МН и имеющая размеры поперечного сечения 12×122 мм, протягивается за один проход через заявленную составную волоку с относительным обжатием (F_о-F₁)/F_о×100% = 18%, где F_о и F₁ - соответственно площади поперечного сечения прессованной заготовки и готовой шины. Рабочие вкладыши составной волоки, выполненные из инструментальной стали X12, имеют длину в направлении оси волочения Н=50 мм и номинальную ширину без наклона контактирующих поверхностей В_о=3 5 мм, угол наклона плоскости разъема рабочих вкладышей к их опорным граням принят 4 градуса, tg4° составляет 0,07; следовательно, фактическая ширина вкладыша составляет В₁=B_о-0,07×H/2=35-0,07×50/2=33,25 мм, то есть она с достаточным запасом превышает минимально допустимую по прочности вкладыша величину [B₁]=31,5 мм (табл.2), что обеспечивает надежную эксплуатацию волоки. Выполнение сопрягаемых поверхностей вкладышей под углом γ=4° друг к другу гарантированно предотвращает образование на малых гранях профиля каких бы то ни было дефектов, это проверено при выпуске многотоннажных партий медных шин, полностью отвечающих техническим требованиям стандартов. Рабочие вкладыши в зависимости от объема заказываемых партий продукции изготавливаются либо из инструментальной стали X12 (и аналогичных ей марок), либо из металлокерамического твердого сплава марки ВК15; в последнем случае вкладыши, естественно, имеют значительно более высокую (в 5-6 раз) стойкость.

Полная номенклатура медных шин, получаемых в производстве заявителя волочением через составные волоки всех 3-х форматов с заявленным исполнением рабочих вкладышей, составляет около 500 позиций, а число коллекторных полос из низколегированных медных сплавов - кадмиевой, магниевой, серебряной, хромовой, циркониевой и хромоциркониевой бронз, также протягиваемых через составные волоки, насчитывает почти 300 позиций.

Полная номенклатура медных шин, получаемых в производстве заявителя волочением через составные волоки всех 3-х форматов с заявленным исполнением рабочих вкладышей, составляет около 500 позиций.

Таблица 1 Размерные параметры протягиваемых профилей и рабочих вкладышей, мм Формат волоки Размеры сечения протягиваемых профилей (фиг.3) Размеры рабочих вкладышей (фиг.1, 2, 4) а B_max Во Н L 1 4…10 40 20 20 60 2 4…18 100 30 40 145 3 4…20 125 35 50 175

Примечание. Размером Во обозначена номинальная (то есть до выполнения угла γ) ширина вкладыша.

Таблица 2 Максимальные углы наклона поверхностей разъема вкладышей γ_max и соответствующие им значения фактической ширины рабочих вкладышей B₁ Формат волоки Диапазон значений tg γ_max Диапазон значений γ_max, град Расчетное значение ширины B₁ при нижнем значении γ_max, мм Минимально допустимое по прочности значение ширины [B₁], мм Расчетное значение tg γ_max при [B₁] Расчетное значение γ_max, град при [B₁] 1 0,2…0,5 11,5…28,7 18 18 0,2 11,5 2 0,1…0,45 5,7…25,4 28 27 0,15 8,6 3 0,08…0,4 4,6…23,0 33 31,5 0,14 8,0

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зыков Ю.С. Применение волок из твердых сплавов для изготовления коллекторных полос. Цветная металлургия, №12, 1960.

2. Берин И.Ш., Днестровский Н.З. Волочильный инструмент. М.: Металлургия, 1967.

3. Днестровский Н.З. Волочильный инструмент. М.: Госэнергоиздат, 1954.

4. Исупов В.Ф., Славкин B.C. Производство калиброванной стали. М.: Металлургиздат, 1962.

5. Берман С.И., Никифоров П.М. Применение составных волок для получения коллекторных профилей. Цветная металлургия, №3, 1970.

6. А.с. СССР №232921, В21С, опубл. 09.04.1969. Бюл.№2, 1969.

7. ГОСТ 4134-75. Профили из медных сплавов для коллекторов электрических машин. М.: Изд-во стандартов, 1980. 8 с. УДК 669.35-422:621.313.047.2:006.354. Группа В53.

8. ТУ48-21-491-75. Полосы коллекторные из меди с кадмием. Рег. номер 138862 от 21.07.1975. Группа В53. Код ОКП 184480.

9. ГОСТ 434-78. Проволока прямоугольного сечения, ленты и шины медные для электротехнических целей. М.: Изд-во стандартов, 1989, 19 с. УДК 669.3-426:006.354+669.3-418.2:006.354. Группа Е41.

10. Specification for Copper for Electrical Perposes, Rod and Bar. BS1432: 1977. Britidh Standard Institution, London, 20 p.

Изобретение предназначено для обеспечения возможности гарантированного соблюдения требований нормативных документов по состоянию поверхности высокоточных полосовых электротехнических профилей, например медных шин. Прижатые друг к другу плоские контактирующие поверхности С-образных рабочих вкладышей, образующих рабочий канал, выполнены с углом наклона по отношению к граням вкладышей, опирающихся на оппозитные поверхности клина и обоймы. Отсутствие рисок и выступов на изделиях при их волочении через составную волоку обеспечивается за счет того, что тангенс упомянутого максимального угла наклона составляет tg γ_max=0,2В_о/Н, где В_о - номинальная, то есть без выполнения упомянутого угла, ширина вкладыша; Н - длина вкладыша в направлении оси волочения. 2 табл., 4 ил.

Составная волока для волочения полосовых профилей с повышенными требованиями к состоянию их поверхности, содержащая два образующих волочильный канал С-образных рабочих вкладыша, прижатые друг к другу плоскими контактирующими поверхностями, закрепленные клиньями в обойме и взаимодействующие опорными гранями с оппозитными поверхностями клина и обоймы, отличающаяся тем, что контактирующие поверхности вкладышей выполнены с наклоном по отношению к опорным граням, при этом тангенс максимального угла наклона составляет
tg γ_max=0,2 В_о/Н,
где В_о - номинальная ширина вкладыша без наклона контактирующих поверхностей;
Н - длина вкладыша в направлении оси волочения.