СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГИЛЬЗ ВИНТОВОЙ ПРОШИВКОЙ Российский патент 2010 года по МПК B21B19/04 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается технологии производства бесшовных труб, в частности, с применением винтовой прошивки для получения гильз, преимущественно из сталей и сплавов с пониженной пластичностью, например из слитков.

Известен способ производства гильз, включающий прошивку в стане винтовой прокатки [1]. В случае, если заготовка имеет пониженную пластичность, обусловленную, например, легированием или литым состоянием структуры, то применение известного способа не позволяет получать качественные гильзы из-за интенсивного образования плен на внутренней поверхности. Причина образования плен разрушение малопластичного металла в очаге деформации. В основном в стадии обжатия металла перед носком оправки.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ производства гильз винтовой прошивкой, принятый за прототип и включающий деформацию нагретой заготовки приводными валками, развернутыми на угол подачи, имеющими пережим, входной и выходной конусы, и оправкой, имеющей раскатной участок [2].

Известный способ реализуется следующим образом. Нагретая заготовка захватывается приводными валками, развернутыми на угол подачи, имеющими пережим, входной и выходной конусы. Захват происходит в сечении встречи заготовки с валками. Приобретая винтовое движения и продвигаясь вперед, заготовка обжимается в сужающемся зазоре между входными конусами валков. К сечению встречи с оправкой (сечение, соответствующее расположению носка оправки) относительное обжатие заготовки по диаметру составляет 7…8%. Далее заготовка прошивается оправкой, имеющей конический раскатной участок, образующая которого параллельна образующей выходного конуса валков.

Деформирующее действие нагрузки со стороны валков на заготовку, реализуемое в известном способе, характеризуется доминированием схемы осевого подпора и пропрессовки металла. Конфигурация и взаимное расположение валков и оправки выбраны таким образом, что во входном конусе, на участке до встречи с оправкой, создается запас касательных напряжений трения, необходимый и достаточный для продавливания металла через всю длину оправки. В данном способе только эти силы трения являются активным движущим началом всего процесса деформации в целом. Силы контактного взаимодействия металла с валками и оправкой на остальных участках являются реактивными, т.е. оказывающими сопротивление движению металла. Для преодоления этого сопротивления и необходимо обжатие 7…8% перед носком оправки. При таких обжатиях объем металла, находящийся между сечениями входа заготовки в валки и сечением встречи с оправкой, составляет 6…12 объемов подачи (объемов, выходящих из очага деформации за 1/2 оборота заготовки). Этому соответствует чрезмерно высокая цикличность процесса, которая значительно снижает деформируемость металла. А при ограниченной исходной пластичности литого или легированного металла разрушение заготовки становится неизбежным уже в начальной стадии процесса. Наиболее склонной к образованию и развитию разрушения является осевая зона заготовки.

Кроме, того, в известном способе наблюдается недостаточная проработка структуры металла. Это связано с отсутствием обжатия металла по толщине стенки между валками и раскатным участком оправки.

Задача изобретения - уменьшение дефектообразования в осевой зоне заготовки, повышение деформируемости металла, в том числе с пониженной пластичностью, улучшение проработки структуры. Поставленная задача решается тем, что в способе производства гильз винтовой прошивкой, включающем деформацию нагретой заготовки приводными валками, развернутыми на угол подачи, имеющими пережим, входной и выходной конусы, и оправкой, имеющей конический раскатной участок, согласно изобретению заготовку деформируют валками и оправкой, установленными таким образом, что расстояние d_x между валками в сечении расположения носка оправки составляет

где

d₀ - диаметр исходной заготовки, мм;

d_г - диаметр получаемой гильзы, мм;

s - толщина стенки гильзы, мм;

β - угол подачи валков, град;

α - угол наклона образующей входного конуса валков к оси прошивки, град;

N_W=1,5…6,0 отношение объема металла заготовки, находящегося в очаге деформации между сечением входа заготовки в валки и сечением расположения носка оправки, к объему металла, подаваемого в очаг деформации за полуоборот заготовки,

а образующая раскатного участка оправки наклонена к образующей выходного конуса валков под углом 1,5…6,0° с уменьшением по ходу прокатки расстояния между ними.

Задача дополнительно решается за счет того, что по п.2 заготовку деформируют с обжатием перед носком оправки, составляющим 0,85…1,00 обжатия в пережиме, и увеличением диаметра гильзы относительно диаметра заготовки, при соблюдении соотношения:

где d₀, d_г - диаметры заготовки и гильзы, соответственно, мм;

s - толщина стенки гильзы, мм;

a=0,25…0,50 - коэффициент, зависящий от тянущей способности валков и структурного состояния заготовки.

В основе реализации способа лежит создание схемы преимущественного протягивания металла через очаг деформации, за счет перераспределения движущих сил трения между участками очага деформации.

Параметры зоны деформации во входном конусе между сечениями входа заготовки в валки и сечением расположения носка оправки выбраны таким образом, чтобы обеспечить устойчивое продвижение металла до раскатного участка оправки (а не до конца очага деформации как в прототипе). Дальнейшее продвижение металла осуществляется силами трения, которые наводятся обжатием стенки прошиваемой гильзы между сближающимися поверхностями раскатного участка оправки и выходного конуса валков.

В установившейся стадии процесса доминирующей движущей силой прошивки являются силы трения в выходном конусе валков на участке обжатия стенки между раскатным участком оправки и валками. Силы трения во входном конусе являются вспомогательными.

При таком характере деформирующего воздействия инструмента на заготовку до минимума сокращена цикличность процесса на опасном входном участке перед носком оправки. Это блокирует опасность возникновения осевого разрушения. Обеспечивается искомое повышение деформируемости металла с пониженной пластичностью. Обжатие по стенке в выходном конусе, кроме создания движущих сил трения, интенсифицирует проработку структуры металла, не увеличивая опасности разрушения.

Физический смысл соотношения (1) состоит в том, что оно обеспечивает заданный объема металла, находящегося в очаге деформации между сечением входа металла заготовки в валки и сечением расположения носка оправки.

Отношение объема металла заготовки, находящегося в очаге деформации между сечением входа заготовки в валки и сечением расположения носка оправки, к объему металла, подаваемого в очаг деформации за полуоборот заготовки, необходимо выдерживать в пределах N_W=1,5…6,0. Если N_W<1,5, то сил трения, развиваемых на участке перед носком оправки, не достаточно, чтобы преодолеть ее осевое сопротивление даже начальной стадии контакта переднего торца заготовки с оправкой. Процесс прошивки становится невозможным по причине отсутствия осевого движения заготовки после встречи с оправкой. При N_W>6,0 развивается чрезмерная цикличность процесса перед носком оправки, приводящая к осевому разрушению металла. Способ приобретает недостатки прототипа.

В зависимости от тянущей способности валков значение N_W может быть конкретизировано. Для вновь установленных валков после токарной обработки следует применять максимальные значения N_W=4,5…6,0. По мере приработки валков и огрубления поверхности тянущая способность валков увеличивается. Рациональные значения для этого случая N_W=3,0…4,5. Валки со специальной обработкой поверхностей для повышения тянущей способности (с насечкой, с накаткой, с электроискровым легированием) позволяют эффективно вести прошивку при минимальных обжатиях перед носком оправки, что соответствует N_W=1,5…3,0.

Наклон образующей раскатного участка оправки к образующей выходного конуса валков под углом менее 1,5° не обеспечивает достаточного запаса тянущих сил трения для стабильного продвижения металла через весь очаг деформации. Возрастает скольжение металла относительно валков, ухудшается качество наружной поверхности гильзы. При малых углах схождения образующих оправки и валков уменьшается интенсивность обжатия по стенке и ослабляется проработка структуры металла. Если этот угол больше 6°, то на данном участке чрезмерно возрастает сила осевого сопротивления движению металла от нормальной составляющей давления металла на валки и оправку. Подача металла уменьшается, цикличность процесса увеличивается, что в совокупности приводит к разрушению металла по механизму прототипа.

Если обжатие перед носком оправки составляет долю менее 0,85 от обжатия в пережиме, это может привести к чрезмерному увеличению протяженность участка во входном конусе (на чертеже этот участок входного конуса не заштрихован), где происходит деформация металла на оправке. В этом случае силы контактного воздействия валков и оправки на этом участке, оказывающие сопротивление осевому движению металла, возрастают и приводят к нарушению или полной остановке процесса заполнения очага деформации в начальной стадии прошивки.

Верхняя граница интервала для обжатия перед носком оправки задана схемой процесса прошивки, в которой обжатие перед носком оправки не может превышать обжатие в пережиме (см. чертеж)

Механизм действия соотношения (2) отличительного признака формулы по п.2 состоит в следующем. Параметр (d_г/s) в правой части соотношения в данном случае принимается за заданный аргумент. Коэффициент вытяжки при прошивке может быть рассчитан по формуле

Увеличение (d_г/s) повышает цикличность процесса на всех участках очага деформации через увеличение коэффициента вытяжки. С ростом цикличности возрастает опасность разрушения металла и снижается деформируемость заготовки.

Чтобы ограничить опасное влияние увеличивающейся цикличности применяется соразмерное увеличение диаметра гильзы относительно диаметра заготовки (увеличение отношения (d_г/d₀)), которое снижает коэффициент вытяжки и число циклов деформации до приемлемого уровня. Если коэффициент, а<0,25, то подъема диаметра недостаточно, чтобы адекватно компенсировать рост цикличности.

При значениях а>0,50 подъем диаметра становится чрезмерным. Возрастают окружные растягивающие напряжения вследствие большой раздачи среднего периметра гильзы. На поверхности гильзы образуются трещины при деформации на выходном участке очага деформации.

Способ иллюстрируется схемой на фиг.1, на которой изображено продольное сечение очага деформации по осям пережимов валков. На схеме использованы следующие обозначения:

1 - приводные валки;

2 - входной конус валков;

3 - выходной конус валков;

4 - пережим валков;

5 - оправка;

6 - конический раскатной участок оправки;

7 - след плоскости поперечного сечения входа металла заготовки в очаг деформации;

8 - след плоскости поперечного сечения очага деформации по носку оправки;

9 - след плоскости поперечного сечения очага деформации по пережиму валков;

d₀ - диаметр исходной заготовки;

d_г - диаметр получаемой гильзы;

d_x - расстояние между валками в сечении расположения носка оправки;

s - толщина стенки гильзы;

α - угол наклона образующей входного конуса валков к оси прошивки;

γ - угол между образующей выходного конуса валков и образующей раскатного участка валков.

На схеме заштрихованы области очага деформации, в которых контактные силы трения являются движущей силой прошивки в целом.

Способ реализуется следующим образом.

Исходная металлическая заготовка, преимущественно стальная непрерывнолитая, нагревается до температуры горячей пластической деформации и подается к прошивному стану винтовой прокатки. Заготовка исходным диаметром d₀ захватывается и деформируется вращающимися валками, развернутыми на угол подачи β, имеющими пережим, входной конус с углом α наклона образующей к оси прошивки, выходной конус, и оправкой, имеющей раскатной участок. Получаемая гильза имеет диаметр d_г и толщину стенки s. Исходя из фактического состояния поверхности валков, определяющего их тянущую способность, выбирается значение параметра N_W=1,5…6,0. Валки и оправка устанавливают таким образом, что расстояние d_x между ними в сечении расположения носка оправки определено соотношением (1). Образующая раскатного участка оправки наклонена к образующей выходного конуса валков под углом γ=1,5…6,0° с уменьшением по ходу прокатки расстояния между ними. По ходу прошивки определятся объем металла:

- находящегося в очаге деформации между сечением входа металла в валки и сечением расположения носка оправки;

- металла, подаваемого в очаг деформации за полуоборот заготовки.

При отклонении отношения первого объема ко второму от заданного значения параметра N_W производят корректировку параметров, входящих в соотношение (1).

Пример реализации способа.

Способ реализован на прошивном стане МИСиС 100. Диаметров бочковидных валков стана в пережиме - 350 мм. Поверхность валков находилась в приработанном, огрубленном состоянии, для которого принималось N_W=2,0. Угол наклона образующей входного конуса валков к оси прошивки составлял 2,5°. Угол наклона образующей выходного конуса валков к оси прошивки составлял 3,0°. Угол подачи валков устанавливался равным 12°. Диаметр исходной непрерывнолитой заготовки из стали 45 составлял 90 мм, которую прошивали в гильзу диаметром 115 мм и толщиной стенки 12 мм. Угол наклона образующей раскатного участка оправки к оси прошивки составлял 6°, что соответствует наклону к образующей выходного конуса валков под углом 3°. Причем указанные образующие оправки и валков сходятся по ходу прошивки. Валки и оправка установлены таким образом, что расстояние d_x между ними в сечении расположения носка оправки составляло

Температура нагрева заготовок под прошивку составляла 1180°С.

При прошивке определяли объем металла, подаваемого в очаг деформации за полуоборот заготовки

W₀=4·π²·d_г·tgβ·s·(d_г-s)=4·3,14²·115·tg12°·12·(115-12)=1192753,1 мм³.

А также объем металла, находящийся в очаге деформации между сечением входа металла в валки и сечением расположения носка оправки

Фактическое значение отношения оказалось равным

Поскольку оно равно заданному N_W=2,0, то корректировки способа не требуется.

Прошивка по данному способу протекала стабильно на стадиях захвата, заполнения очага деформации и его освобождения. Во всем объеме деформируемого металла образование дефектов отсутствует. Металлографическими исследованиями установлена полная проработка структуры металла, при отсутствии каких-либо нарушений сплошности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка и прессование труб, М.: Металлургия, 1972.

2. Шевакин Ю.Ф., Глейберг А.З. Производство труб. М.: Металлургия, 1968.

Изобретение предназначено для уменьшения дефектообразования в осевой зоне заготовки, повышения деформируемости металла с пониженной пластичностью, улучшения проработки структуры металла при производстве бесшовных труб винтовой прокаткой. Способ предусматривает деформацию нагретой заготовки развернутыми на угол подачи приводными валками, имеющими пережим, входной и выходной конусы, и оправкой, имеющей конический раскатной участок. Устойчивое продвижение металла до раскатного участка оправки с дальнейшим продвижением металла силами трения обеспечивается за счет создания управляемой количественной взаимосвязи между объемом металла, находящимся в очаге деформации между сечением входа металла в валки и сечением расположения носка оправки, и объемом металла, подаваемым в очаг деформации за полуоборот заготовки, при схождении образующих раскатного участка оправки и выходного конуса валков под углом 1,5…6,0°. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ производства гильз винтовой прошивкой, включающий деформацию нагретой заготовки развернутыми на угол подачи приводными валками, имеющими пережим, входной и выходной конусы, и оправкой, имеющей конический раскатной участок, отличающийся тем, что заготовку деформируют валками и оправкой, установленными таким образом, что расстояние d_x между валками в сечении расположения носка оправки составляет
,
где d₀ - диаметр исходной заготовки, мм;
d_г - диаметр получаемой гильзы, мм;
s - толщина стенки гильзы, мм;
β - угол подачи валков, град;
α - угол наклона образующей входного конуса валков к оси прошивки, град;
N_w=1,5…6,0 - отношение объема металла заготовки, находящегося в очаге деформации между сечением входа заготовки в валки и сечением расположения носка оправки, к объему металла, подаваемого в очаг деформации за полуоборот заготовки,
а образующая раскатного участка оправки наклонена к образующей выходного конуса валков под углом 1,5…6,0° с уменьшением по ходу прокатки расстояния между ними.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовку деформируют с обжатием перед носком оправки, составляющим 0,85…1,00 обжатия в пережиме, и увеличением диаметра гильзы относительно диаметра заготовки, при соблюдении соотношения:
,
где d₀, d_г - диаметры заготовки и гильзы соответственно, мм;
s - толщина стенки гильзы, мм;
а=0,25…0,50 - коэффициент, зависящий от структурного состояния исходной заготовки.