СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК Российский патент 2011 года по МПК B21D51/10 B21D22/16 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к изготовлению высокопрочных тонкостенных осесимметричных деталей из конструкционных легированных сталей, работающих под внутренним и внешним давлением, методами ротационной обработки - ротационной вытяжки, обжима, выглаживания, например, цилиндрических, конических оболочек сложного профиля, оболочек с концевыми утолщениями наружных и внутренних поверхностей и оболочек с периодическим профилем в виде чередующихся утолщенных и утоненных участков, в частности - корпусов двигателей и других корпусных деталей реактивных снарядов для различных систем.

Основными требованиями, предъявляемыми к корпусным деталям, обусловленными условиями их эксплуатации - высокими внутренними и внешними давлениями и высокой температурой, являются: высокая точность геометрических размеров, качество наружной и внутренней поверхностей, при высокой прочности и минимальных весовых характеристиках.

С учетом вышеперечисленных требований осуществляется выбор технологических способов изготовления оболочек, включая состав технологических операций и их последовательность.

Конструктивные особенности этих деталей в виде утолщений и различного профиля и особенность требований обусловили применение методов ротационной обработки трубных заготовок, позволяющих повысить коэффициент использования металла и обеспечить необходимую конструктивную прочность.

Применение других методов пластического деформирования, в частности прессовой обработки, нерационально, так как потребуется дополнительная механическая обработка, что снижает прочность и повышает расход металла.

Особенности конструкции оболочек и повышенные требования потребовали применения различных методов ротационной обработки.

Важнейшей проблемой при производстве высокопрочных оболочек различных видов методами ротационной обработки: вытяжкой, обжимом, выглаживанием и др. является устойчивость процесса деформирования, влияющая на качество поверхности и точность геометрической формы.

Под качеством поверхности, получаемой ротационной обработкой, в технической литературе понимается рябизна, волнистость, следы от роликов и т.п. глубиной, не выводящей размеры за пределы допускаемых отклонений, а также гофры, складки и утяжки - выводящие толщину стенки и диаметры за допустимые пределы.

Актуальной проблемой в повышении устойчивости процесса ротационной обработки высокопрочных оболочек с целью обеспечения высокого качества поверхности и точности геометрических размеров является выбор способов ротационной обработки и их последовательности, выбор смазок и покрытий заготовок, выбор оптимальных степеней деформации, режимов обработки, профилей роликов и зазоров между заготовкой и оправкой, снижение вибраций роликов, оправок и технологической оснастки.

Таким образом, главной задачей в производстве высокопрочных тонкостенных оболочек, получаемых методами ротационной обработки, является точность и качество поверхности.

Известен способ изготовления ротационным выдавливанием (вытяжкой) цилиндрической осесимметричной детали с наружными буртиками (утолщениями) на концевых участках - у основания и на верхней части (см. книгу М.А.Гредитора "Давильные работы и ротационное выдавливание", изд. "Машиностроение", Москва, 1971 г., стр.109-111, рис 66).

Вначале цилиндрическая заготовка в виде колпака, полученная из кружка вытяжкой, устанавливается и закрепляется на оправке трехроликового станка. Затем давильные ролики вдавливаются в заготовку, обеспечивая формирование наружного бурта (утолщения) у дна детали. Затем ролики утоняют стенку до заданной толщины на всей длине прямолинейного основного участка, до бурта (утолщения) у открытой концевой части. После этого оформляют профиль и утоняют крайний участок до требуемой толщины стенки. После выключения продольной подачи и прекращения вращения шпинделя ролики и прижим задней бабки отводят в исходное положение; выталкиватель детали сбрасывает ее с оправки.

Недостатком данного способа изготовления осесимметричных деталей является невозможность получения внутренних утолщений и низкий коэффициент использования металла, так как исходной заготовкой является кружок.

Кроме того, в данном способе не решались проблемы ротационной обработки высокопрочных заготовок: выбора методов ротационной обработки, последовательности операций, профилей роликов, зазоров между оправкой и заготовкой, смазки заготовок, режимов обработки.

Известен "Способ изготовления оболочек" патент RU 2009215 С1, С21Д 8/10, С21Д 9/08, 15.03.1994 г., включающий резку трубных заготовок на мерные длины, механическую обработку, термоупрочнение закалкой и отпуском, холодную пластическую деформацию методом ротационной вытяжки в несколько проходов и отжиг. Термоупрочнение - закалку с отпуском проводят перед последним проходом холодной пластической деформации. Деформацию осуществляют методом ротационной вытяжки со степенью 30÷60%, отпуск ведут при 350÷500°С, а отжиг при 280÷450°С.

Данный способ является наиболее близким к заявленному и выбран в качестве прототипа.

Как видно из этого способа - термоупрочнение закалкой с отпуском выполняют перед последним проходом ротационной вытяжки.

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата - высокой прочности и качества обработанной поверхности при использовании известного способа, принятого заявителями за прототип, относится коробление деталей после термоупрочнения в виде увеличения овальности и кривизны образующей, а также наличия окалины на наружной и внутренней поверхности, требующей дополнительной чистки и травления, что увеличивает трудоемкость изготовления.

В данном способе не предусмотрены операции, исправляющие искажение формы заготовки после термоупрочнения (токарной обработкой и выглаживанием поверхности).

Кроме того, в этом способе нет технических решений по выбору смазочного покрытия заготовок под ротационную обработку, методов и последовательности операций ротационной обработки, а также по оптимизации режимов обработки, профилей роликов, зазоров между заготовкой и оправкой и по уменьшению вибраций системы станок - приспособление - инструмент - деталь.

Таким образом, задачей данного технического решения является повышение конструктивной прочности деталей при одновременном снижении расхода металла.

Общими признаками с предлагаемым заявителями способом является резка труб на заготовки, механическая, термоупрочняющая - закалка и отпуск и ротационная обработка - ротационная вытяжка.

В отличие от прототипа, предлагаемый авторами способ изготовления тонкостенных оболочек, при котором трубы режут на заготовки, подвергают их механической, термоупрочняющей и ротационной обработкам, отличается тем, что заготовки после термоупрочнения подвергают механической обработке, фосфатированию, пластическому ротационному деформированию вытяжкой за один или несколько проходов, выглаживанию обработанной поверхности и обжиму концевых участков, затем упругому деформированию внутренним гидравлическим давлением, при этом вытяжку, выглаживание и обжим осуществляют роликами с различной конфигурацией профиля, а выглаживание и обжим - с одинаковым зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой.

В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения изобретение характеризуется следующими признаками:

- перед фосфатированием заготовок осуществляют обезжиривание в ваннах с содой кальцинированной, травление в ваннах с серной кислотой, а фосфатирование проводят в ваннах с препаратом "Фоскон 5" (НК-11) или "Рускон-10" с концентрацией 130÷170 г/л с добавкой нитрита натрия с концентрацией 0,2÷0,3 г/л при температуре 40÷60°C с последующим омыливанием в ваннах с мылом хозяйственным,

- степень деформации на первом проходе ротационной вытяжки задают в пределах 0,7÷0,9 степени деформации на последующем проходе,

- ротационное выглаживание осуществляют с величиной подачи на 1 оборот заготовки, в 1,5÷4,5 раза превышающей величину подачи на 1 оборот при ротационной вытяжке,

- ротационное выглаживание осуществляют роликами с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 2÷2,5 раза величину осевой подачи на один оборот заготовки,

- ротационное выглаживание осуществляют роликами с радиусом перехода плоской вершины в переднюю и заднюю поверхности профиля, равным 0,5÷0,8 радиуса вершины профиля роликов при ротационной вытяжке,

- ротационное выглаживание осуществляют роликами с передним углом профиля, равным 0,4÷0,7 величины переднего угла профиля роликов при ротационной вытяжке,

- ротационное выглаживание и обжим осуществляют на одной и той же оправке,

- ротационное выглаживание и обжим осуществляют с зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой величиной не более исходной толщины стенки заготовки,

- ротационный обжим осуществляют с утонением стенки со степенью деформации не более 30%,

- ротационный обжим осуществляют с величиной подачи на один оборот заготовки, равной 0,7÷0,9 величины подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке,

- ротационный обжим осуществляют роликами с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 3÷5 раз величину подачи на один оборот заготовки,

- ротационный обжим осуществляют роликами с передним и задним углом, равными, соответственно, переднему и заднему углу профиля роликов при ротационной вытяжке,

- упругое деформирование осуществляют внутренним гидравлическим давлением 250÷270 кгс/см² с выдержкой при этом давлении не менее 30 секунд.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления высокопрочных тонкостенных оболочек из конструкционных легированных сталей с высокой точностью геометрических размеров и качеством поверхности при высокой прочности и минимальных весовых характеристиках.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем резку труб на заготовки, механическую, термоупрочняющую и ротационную обработки, особенность заключается в том, что заготовки после термоупрочнения подвергают механической обработке, фосфатированию, пластическому ротационному деформированию вытяжкой за один или несколько проходов, выглаживанию обработанной поверхности и обжиму концевых участков, затем упругому деформированию внутренним гидравлическим давлением, при этом вытяжку, выглаживание и обжим осуществляют роликами с различной конфигурацией профиля, а выглаживание и обжим - с одинаковым зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой.

Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет:

- выполнения механической (токарной) обработки после термоупрочнения закалкой и отпуском - исправить искажение формы заготовок - "коробление", то есть уменьшить овальность, разностенность и кривизну образующей заготовок;

- фосфатирования - подготовить поверхности заготовки к пластическому ротационному деформированию в результате очищения поверхности заготовки с последующим насыщением поверхностей заготовки фосфатами, что позволяет снизить сопротивление материала пластическому деформированию из-за снижения силы трения, а это, в свою очередь, повышает устойчивость процесса формоизменения, качество обрабатываемой поверхности - в виде уменьшения рябизны и волнистости поверхности и уменьшения высоты микронеровностей;

- пластического ротационного деформирования вытяжкой за один или несколько проходов, выглаживания обработанной поверхности и обжима концевых участков - получить тонкостенные высокопрочные оболочки с концевыми наружными и внутренними утолщениями, так как такая последовательность операций пластического деформирования заготовок из конструкционных легированных сталей после термоупрочнения закалкой и отпуском позволяет операцией вытяжки получить тонкую стенку с концевыми наружными утолщениями, операцией выглаживания - получить точную геометрическую форму заготовки и высокое качество поверхности и операцией обжима получить концевые участки с внутренними утолщениями,

- пластического ротационного деформирования вытяжкой, выглаживания и обжима роликами с различной конфигурацией профиля - обеспечить высокую устойчивость процесса пластического деформирования, и, в результате, получить высокую точность и качество обработанной поверхности, так как при различных видах ротационной обработки, таких как вытяжка, выглаживание и обжим, образуются разные схемы напряженного состояния и различные направления течения металла в очагах деформирования; что и вызвало необходимость использования роликов с различными передними углами и вершинами профилей, то есть роликов с различной конфигурацией профиля;

- ротационных выглаживания и обжима с одинаковым зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой - унифицировать технологическую оснастку и инструмент, так как в этом случае ротационные выглаживание и обжим выполняют на одной и той же оправке и той же установке, что сокращает время обработки, при переналадке с ротационного выглаживания на обжим осуществляют только смену роликов;

- упругого деформирования оболочек внутренним гидравлическим давлением - создать в оболочках благоприятные внутренние напряжения (радиальные сжимающие), направленные против направления напряжений, возникающих при эксплуатации оболочек (радиальные растягивающие), так как при воздействии на оболочку внутренним гидравлическим давлением в упругой области деформирования происходит перераспределение внутренних напряжений с возникновением остаточных радиальных сжимающих напряжений, наличие которых повышает эксплуатационные прочностные характеристики - повышает циклическую прочность при работе деталей под внутренним давлением, при этом величина внутреннего гидравлического давления и время выдержки при этом давлении необходимо задавать исходя из неизменности осевых геометрических параметров оболочки и незначительных радиальных размеров в пределах допуска на допускаемые отклонения;

Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения, позволяют, в частности, за счет:

- обезжиривания в ваннах с содой кальцинированной, травления в ваннах с серной кислотой и фосфатирования в ваннах с препаратом "Фоскон-5" (НК-11) или "Рускон-10" с концентрацией 130÷170 г/л с добавкой нитрита натрия с концентрацией 0,2÷0,3 г/л при температуре 40÷60°C с последующим омыливанием в ваннах с мылом хозяйственным - повысить устойчивость процесса пластического ротационного деформирования снижением трения в очагах деформации и, следовательно, снижением сопротивления материала пластическому деформированию и в результате обеспечить высокое качество обработанной поверхности и точность геометрической формы; последовательность переходов - вначале обезжиривание, затем - травление обеспечивает удаление жировых пленок, окисной пленки и окалины - подготавливает поверхность к насыщению фосфатами, а омыливание после фосфатирования усиливает эффект снижения коэффициента трения, кроме того, режимы фосфатирования оптимальны с точки зрения снижения силы трения и изменение концентрации препарата и температуры в ту или другую сторону снижает адгезию (сцепление) фосфатов с поверхностью металла и приводит к увеличению коэффициента трения;

- задачи степени деформации на первом проходе ротационной вытяжки в пределах 0,6÷0,9 степени деформации на последующем проходе - повысить устойчивость процесса деформирования в результате того, что при таком распределении степени деформации последующий проход нагружают больше первого, чтобы компенсировать влияние наклепа металла после первого прохода, так как сопротивление материала пластическому деформированию из-за упрочнения материала (наклепа) возрастает, то, увеличивая нагрузку (т.е. степень деформации) на последующем проходе, снижают влияние наклепа, отрицательно влияющего на изменение геометрических параметров деталей, т.е. деформирование с увеличенными степенями деформации снижает наклеп предыдущего прохода и таким образом повышает точность геометрической формы оболочки; соотношение степеней деформации является оптимальным, определено экспериментальным путем, при соотношениях менее 0,6 и более 0,9 устойчивость процесса деформирования снижается и отклонения размеров возрастают, что выражается в виде гофр и утяжек с последующим развитием трещин, необходимо заметить, что разделение процесса формоизменения оболочек из легированных сталей и подвергнутых термоупрочнению на несколько проходов или переходов вызвано тем, что суммарная деформация превышает допустимые пределы (например, более 70%);

- ротационного выглаживания с величиной подачи на один оборот заготовки, в 1,5÷4,5 раза превышающей величину подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке, - повысить устойчивость процесса выглаживания оболочки и, следовательно, точность геометрической формы и качество поверхности, так как, по мнению заявителей, процесс выглаживания осуществляют с небольшой степенью деформации и меньшими усилиями, радиальными и осевыми, без утонения стенки и он заключается в уменьшении овальности и кривизны образующей с уменьшением высоты микронеровностей, рябизны и волнистости поверхности, поэтому увеличение подачи в сравнении с подачей при ротационной вытяжке создает устойчивый исправительный эффект, а величина подачи на один оборот заготовки в 1,5÷4,5 раза большей подачи на один оборот при ротационной вытяжке является оптимальной, уменьшение ее значения менее 1,5 величины подачи при ротационной вытяжке приводит к "раскатке" заготовки, выражающейся в увеличении диаметральных размеров, увеличение более чем в 4,5 раза снижает качество выглаживаемой поверхности;

- ротационного выглаживания роликами с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 2÷2,5 раза величину осевой подачи на один оборот заготовки, - обеспечить перекрытие плоской поверхностью вершины профиля ролика зоны контакта ролика с поверхностью заготовки на величину, превышающую величину перемещения ролика за 1 оборот заготовки и, за счет этого, получить высокое качество выглаживаемой поверхности, так как в зоне контакта - в зоне очага деформации не происходит утонения стенки и характер деформации представляет собой изгиб в осевом и радиальном направлении, таким образом, в течение процесса выглаживания осуществляется постоянное соприкосновение плоскости вершины профиля ролика с плоской поверхностью зоны контакта заготовки с роликом;

- ротационного выглаживания роликами с радиусом перехода плоской вершины в переднюю и заднюю поверхности профиля, равным 0,5÷0,8 радиуса вершины профиля роликов при ротационной вытяжке, - обеспечить высокую чистоту выглаживаемой поверхности, так как характер деформации, в отличие от процесса ротационной вытяжки, не предусматривает сдвигового течения металла, а только деформации изгиба, поэтому выбор малых радиусов при вершине профиля ролика обеспечивает наиболее благоприятные условия процесса выглаживания поверхности; значения радиусов, равные 0,5÷0,8 радиуса вершины профиля при ротационной вытяжке, по результатам экспериментальных работ, оптимальны, и при меньших 0,5 радиуса происходит врезание ролика в поверхность заготовки, а при больших 0,8 - возрастает площадь контакта и из-за снижения удельных нагрузок не выглаживаются неровности поверхности заготовки;

- ротационного выглаживания роликами с передним углом профиля, равным 0,4÷0,7 величины переднего угла профиля роликов при ротационной вытяжке, - обеспечить плавность нарастания деформаций изгиба вдоль образующей выглаживаемой поверхности оболочки, так как сдвига металла вдоль образующей не происходит, то при малых углах выглаживание неровностей, вкупе с малыми радиусами перехода плоской вершины в переднюю и заднюю поверхности профиля ролика, происходит наилучшим образом, а величина переднего угла, равная 0,4÷0,7 величины переднего угла при ротационной вытяжке, по экспериментальным данным, является оптимальной, так при переднем угле менее 0,4 величины угла при ротационной вытяжке возрастает площадь контакта ролика с поверхностью заготовки (эффект "лыжи"), снижается удельное давление в зоне контакта и чистота поверхности ухудшается, а при значении переднего угла более 0,7 величины переднего угла при ротационной вытяжке нарушается плавность входа ролика и плавность нарастания деформации, что приводит к появлению дефектов поверхности в виде винтовых отпечатков;

- ротационных выглаживания и обжима на одной оправке - унифицировать технологическую оснастку и инструмент - оправку, так как после ротационного выглаживания ротационный обжим выполняют с заменой роликов, не меняя оправки, прижимов и другой оснастки, что снижает трудоемкость изготовления оболочек и трудозатраты на технологическую оснастку и инструмент;

- ротационного выглаживания и обжима с зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой величиной не более исходной толщины стенки заготовки - обеспечить высокую устойчивость процессов ротационных выглаживания и обжима, так как величина зазора, не превышающая исходную толщину стенки, создает условия для образования внутреннего утолщения на отдельных участках концов оболочек; при обжиме радиальное перемещение металла ограничено оправкой, что дает возможность металлу заполнить на обжимаемом участке полость, образуемую зазором, а при величине зазора более исходной толщины стенки отсутствует подпор металла на обжимаемом участке, что приводит к образованию трещин и надрывов металла, кроме того, большая величина зазора - более исходной толщины стенки при ротационном выглаживании - приводит к увеличению вибраций всей установки с оболочкой, приводящей к увеличению высоты микронеровностей и появлению рябизны и волнистости;

- осуществления ротационного обжима с утонением стенки со степенью деформации не более 30% - обеспечить устойчивость процесса ротационного обжима, так как ротационный обжим осуществляют в данном случае с радиальным течением металла и с осевым течением на обжимаемом участке, то есть при обжиме уменьшаются диаметральные размеры и уменьшается толщина стенки, поэтому при таком сложном напряженно-деформированном состоянии на участке обжима увеличение степени деформации с утонением стенки более 30% приводит к появлению трещин и надрывов;

- ротационного обжима с величиной подачи на один оборот заготовки, равной 0,7÷0,9 величины подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке, - повысить устойчивость процесса деформирования, так как процесс ротационного обжима более энергетически насыщен, включает в себя как изменение диаметральных размеров, так и утонения стенки, а процесс ротационной вытяжки включает только утонение стенки, поэтому, как определено по результатам экспериментальных работ, уменьшенное значение величины подачи при ротационном обжиме в данном случае наиболее рационально и оптимально в пределах 0,7÷0,9 величины подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке; при значениях как меньших, так и больших устойчивость ротационного обжима снижается из-за явления "раскатки" то есть увеличения окончательных диаметральных размеров - при меньших 0,7 и из-за "утяжек" (утонении) при больших 0,9;

- ротационного обжима роликами с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 3÷5 раз величину подачи на один оборот заготовки, - повысить устойчивость процесса формоизменения в результате того, что перекрытие плоской вершиной ролика зоны очага деформации при обжиме создает возможность течения металла внутрь - к оправке и, в то же время, течение металла вдоль образующей оправки, значение - в 3÷5 раз оптимально, и означает, что при меньшей длине плоской вершины - меньшей в 3 раза - образуются утяжки металла в зоне деформирования, а при длине плоской вершины, большей в 5 раз, - возрастают радиальные усилия деформирования и нарушается течение металла в осевом направлении, что приводит к образованию поперечных "гофр" (складок);

- ротационного обжима роликами с передним и задним углом, равными соответственно, переднему и заднему углу профиля роликов при ротационной вытяжке, - обеспечить утонение стенки аналогично ротационной вытяжке, и в то же время не препятствовать обжиму оболочки;

- упругого деформирования путем внутреннего гидравлического давления 250÷270 кгс/см² с выдержкой при этом давлении не менее 30 с на основании опытных работ, в соответствии с этими режимами, обеспечиваются благоприятные внутренние напряжения в оболочке, препятствующие эксплуатационному внутреннему давлению, так как в этом случае сжимающие внутренние напряжения противоположны по направлению растягивающим напряжениям при действии внутреннего давления, в то же время, в данном случае, давление 250÷270 кгс/см² является оптимальным, так как при малых значениях - менее 250 кг/см² и выдержке менее 30 с и при больших значениях - более 270 кгс/см² - наблюдается или недостаточное воздействие, не дающее положительного эффекта, или избыточное воздействие, приводящее к пластической деформации, что является браковочным признаком.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена заготовка 1 в процессе ротационной вытяжки роликами 3 на оправке 2, на фиг.2 заготовка 1 в процессе выглаживания роликами 3 на оправке 2 с зазором Δ мм и на фиг.3 - в процессе обжима роликами 3 на оправке 2 с зазором Δ мм. Ролик 3 (фиг.1, вид I) выполнен профилем с передним углом α₁°, радиусом при вершине R₁ (мм) и задним углом β₁°.

Ролик 3 (фиг.2, вид I) выполнен профилем с передним углом α₂°, задним углом β₂° с плоской вершиной длиной b₂ (мм) и радиусом перехода вершины в переднюю и заднюю поверхности R₂ (мм). Ролик 3 (фиг.3, вид I) выполнен профилем с передним углом α₃°, задним углом β₃° и с плоской вершиной длиной b₃ и радиусом перехода R₃ (мм).

На фиг.1, 2 и 3 изображены концевые утолщения длиной L_ут (мм).

На фиг.3 изображено внутреннее утолщение длиной L_об (мм).

Вышеописанный способ изготовления тонкостенных оболочек осуществляется следующим образом.

Исходную заготовку 1 (см. фиг.1), изготовленную из трубы путем резки ее на заготовки, механической обработки, термоупрочнения, подвергают механической обработке, обезжириванию в ваннах с содой кальцинированной, травлению в ваннах с серной кислотой, фосфатирования в ваннах с препаратом "Фоскон-5" (НК-11) или "Рускон-10" с добавкой нитрита натрия и омыливания в ваннах с мылом хозяйственным.

После этого осуществляют пластическое ротационное деформирование: 1) ротационную вытяжку (фиг.1) за 2 прохода; 2) ротационное выглаживание (фиг.2), и затем 3) ротационный обжим (фиг.3) с подачей F мм/мин и скоростью вращения S об/мин (мин^-1).

Ротационную обработку осуществляют роликами 3 с различной конфигурацией профиля (фиг.1, 2, 3 вид I).

Ротационную вытяжку (фиг.1) осуществляют роликами с профилем, при котором передний угол - α₁°, радиус при вершине R₁ (мм) и задний угол β₁°, за 2 прохода со степенью деформации на первом проходе, составляющей 0,6÷0,9 степени деформации на втором проходе (ε₁%=(0,6÷0,9)ε₂%).

На первом проходе получают стенку с толщиной t₁ (мм), на втором t₂ (мм) и концевое наружное утолщение длиной L_ут (мм) и толщиной t₀ (мм).

Ротационное выглаживание (фиг.2) осуществляют с величиной подачи на один оборот заготовки 1, в 1,5÷4,5 раза превышающей величину подачи на 1 оборот заготовки при ротационной вытяжке, то есть F_об.2=(1,5÷4,5)F_об.1, где F_об.1 (мм) - величина подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке, F_об.2 (мм) - величина подачи на один оборот заготовки при ротационном выглаживании.

Ротационное выглаживание осуществляют роликами 3 с плоской вершиной профиля (фиг.2, вид I) длиной, превышающей в 2÷2,5 раза величину подачи на один оборот заготовки, то есть b₂=(2÷2,5) F_об.2, где b₂ (мм) - длина плоской вершины профиля ролика, F_об.2 (мм) - величина подачи на один оборот заготовки в процессе выглаживания, и с радиусом перехода плоской вершины в переднюю и заднюю поверхности профиля, равным 0,5÷0,8 радиуса вершины профиля при ротационной вытяжке, то есть R₂=(0,5÷0,8)R₁ (мм), и с передним углом профиля, равным 0,4÷0,7 величины переднего угла профиля роликов при ротационной вытяжке, то есть α₂°=(0,4÷0,7)α₁°.

При ротационном выглаживании концевые утолщения (см. фиг.2) оставляют без изменения - длиной L_ут (мм) и толщиной t₀ (мм).

После ротационной вытяжки (фиг.1) и ротационного выглаживания (фиг.2) выполняют ротационный обжим (фиг.3) на одной и той же оправке 3 (фиг.2 и фиг.3) с тем же зазором Δ (мм), что и при ротационном выглаживании между внутренней поверхностью заготовки 1 и оправкой 2, величиной не более исходной толщиной стенки t₀ (мм), то есть Δ<t₀ (мм), и с утонением стенки со степенью деформации не более 30%, то есть ε_об<30%, а также с величиной подачи на один оборот заготовки равной 0,7÷0,9 величины подачи на один оборот при ротационной вытяжке, то есть F_об.3=(0,7÷0,9)F_об.1.

При ротационном обжиме используют ролики 3 (фиг.3, вид I) с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 3÷5 раз величину подачи на один оборот заготовки в процессе ротационного обжима, то есть b₃=(3÷5)F_об.3 (мм), и с передним углом α₃° и задним углом β₃°, соответственно равными переднему углу α₁° и заднему углу β₁° при ротационной вытяжке, то есть α₃°=α₁° и β₃°=β₁°.

При ротационном обжиме получают внутреннее концевое утолщение длиной L_об (мм) и толщиной стенки t_об (мм) со степенью деформации не более 30%.

В конечной операции выполняют упругое деформирование внутренним гидравлическим давлением 250-270 кгс/см² с выдержкой не менее 30 с.

Пример.

Заготовки из трубы ⌀133×13 конструкционной легированной стали (30ХМА, 12Х3ГНМФБА, 40Х, 20ХН4ФА) и др. после резки труб на мерные длины подвергают предварительной механической обработке по наружной и внутренней поверхности, затем упрочняющей термообработке закалкой и отпуском и, после чего, окончательной механической обработке и фосфатированию по режимам:

1) обезжиривание в ваннах с натром едким 20÷50 г/л, содой кальцинированной 20÷50 г/л, тринатрием фосфатом 30÷70 г/л, жидким стеклом 3÷10 г/л (10÷15 мин);

2) промывка в теплой воде при 40÷50°С (0,5÷1 мин);

3) травление в серной кислоте 120÷170 г/л с добавкой тиомочевины 0,1÷1,0 г/л, при 65÷85°С (30÷40 мин);

4) фосфатирование в ваннах препаратом "Фоскон-5" (НК-11) или "Рускон-10" с концентрацией 130÷170 г/л с добавкой нитрита натрия с концентрацией 0,2÷0,3 г/л при температуре 40÷60°С (15÷45 мин);

5) промывка в холодной воде 3÷5 кратным окупанием (0,5÷1 мин);

6) промывка в теплой воде при 40÷50°С 2÷5 кратным окупанием (0,5÷1,0 мин);

7) омыливание в ваннах с мылом хозяйственным 72% с концентрацией 110÷140 г/л при 30÷50°С (3÷5 мин);

8) промывка в горячей воде (2 мин) при 70÷90°С.

Затем заготовки с исходной толщиной t₀=7,15 мм подвергают ротационному пластическому деформированию ротационной вытяжкой, ротационному выглаживанию и ротационному обжиму.

1) Ротационную вытяжку выполняют за 2 прохода

а) 1 проход - со степенью деформации ε₁=45%, t₁=3,9 мм,

б) 2 проход - со степенью деформации ε₂=60%, t₂=1,7 мм;

с величиной подачи на один оборот заготовки на каждом проходе, F_об.1=1 мм и с наружным концевым утолщением длиной L_ут=75 мм с толщиной стенки t₀=7,15 мм (см. фиг.1).

Профиль ролика при ротационной вытяжке выполнен с радиусом вершины R₁=6 мм, передним углом α₁=30° и степень деформации на первом проходе ротационной вытяжки составляет 0,75 степени деформации на втором проходе,

, что соответствует формуле изобретения (ε₁=(0,6÷0,9)ε₂ по формуле изобретения).

Ротационное выглаживание заготовок по наружной поверхности (см. фиг.2) выполняют с величиной подачи на один оборот заготовки, F_об.2=3,5÷4,0 мм, превышающей в 3,5÷4,0 раза величину подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке, (F_об.1=1 мм), что соответствует формуле изобретения (F_об.2=(1,5÷4,5)F_об.1 по формуле изобретения).

Ротационное выглаживание осуществляют роликами 3 (фиг.2, вид I) с плоской вершиной профиля длиной b₂=8 мм, превышающей величину подачи на один оборот заготовки при выглаживании (F_об.2=4 мм) в 2 раза величину подачи на один оборот заготовки (8/4=2,0), что соответствует формуле изобретения (b₂=(2÷2,5)F_об.2 по формуле изобретения).

Радиус R₂ (см. фиг.2, вид I) - радиус перехода плоской вершины в переднюю и заднюю поверхности профиля ролика ротационного выглаживания R₂=4 мм, что составляет 0,67 радиуса вершины профиля при ротационной вытяжке, (R₁=6 мм), что соответствует формуле изобретения (4/6=0,67), (R₂=(0,5÷0,8)R₁ - по формуле изобретения).

Передний угол профиля ролика выглаживания α₂° (см. фиг.2, вид I) равен 15°, что составляет 0,5 величины переднего угла при ротационной вытяжке, равного α₁=30° и соответствует формуле изобретения - α₂=(0,4÷0,7)α₁.

Ротационный обжим (см. фиг.3) выполняют на одной и той же оправке, что и при ротационном выглаживании (см. фиг.2) с зазором Δ, равным 3 мм, и не превышающим по величине исходную толщину стенки заготовки t₀=7,15 мм, что соответствует формуле изобретения.

При ротационном обжиме получают внутреннее утолщение с толщиной t_об=5,75 мм и длиной L_об=70 мм со степенью деформации по утонению стенки ,

что менее 30% (в соответствии с формулой изобретения).

Ротационный обжим осуществляют с величиной подачи на один оборот заготовки F_об.3=0,77 мм, что составляет 0,77 от величины подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке, (F_об.1=1 мм), что соответствует формуле изобретения - (F_об.3=(0,7÷0,9)F_об.1).

Профиль роликов при ротационном обжиме (фиг.3, вид I) выполнен с плоской вершиной длиной, равной b₃=3 мм, что превышает в 3,9 раза величину подачи на один оборот заготовки при ротационном обжиме, равной F_об.3=0.77 мм, что соответствует формуле изобретения (b₃=3/0,77=3,9), (в 3÷5 раз по формуле изобретения).

Профиль роликов при ротационном обжиме (см. фиг.3, вид I) выполнен с передним углом α₃°, равным 30°, и с задним углом β₃°, равным 15°, что соответствует равенству переднего и заднего углов профиля роликов при ротационной вытяжке: α₃°=α₁°=30°, β₃°=β₁°=15° и это соответствует формуле изобретения.

В конечном итоге выполняют нагружение оболочек внутренним гидравлическим давлением 250÷270 кгс/см² с выдержкой при этом давлении 30 с (не менее 30 с по формуле изобретения).

Выполнение способа в соответствии с изобретением обеспечивает за счет высокой устойчивости процесса формоизменения возможность изготовления тонкостенных высокопрочных оболочек из конструкционных легированных сталей: 30ХМА, 12Х3ГНМФБА, 40Х, 20ХН4ФА и др. с высоким качеством обрабатываемой поверхности и высокой точностью геометрических размеров.

Изобретение может быть использовано при производстве различных оболочек, работающих под внутренним и внешним давлением.

Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных партий оболочек, изготовленных по данному способу.

В настоящее время разработана техническая документация, проведены испытания и намечено серийное производство продукции по предложенному способу.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к изготовлению тонкостенных высокопрочных оболочек из конструкционных легированных сталей. Способ включает резку труб на заготовки, механическую, термоупрочняющую и ротационную обработки. Заготовки после термоупрочнения подвергают механической обработке, фосфатированию, пластическому ротационному деформированию вытяжкой за один или несколько проходов, ротационному выглаживанию обработанной поверхности и ротационному обжиму концевых участков. Затем подвергают упругому деформированию внутренним гидравлическим давлением. Ротационную вытяжку, ротационное выглаживание и ротационный обжим осуществляют роликами с различной конфигурацией профиля. Ротационное выглаживание и ротационный обжим осуществляют с одинаковым зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой. В результате обеспечивается повышение конструктивной прочности деталей и снижение расхода металла. 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления тонкостенных оболочек, включающий резку труб на заготовки, механическую, термоупрочняющую и ротационную обработки, отличающийся тем, что заготовки после термоупрочнения подвергают механической обработке, фосфатированию, пластическому ротационному деформированию вытяжкой за один или несколько проходов, ротационному выглаживанию обработанной поверхности и ротационному обжиму концевых участков, затем упругому деформированию внутренним гидравлическим давлением, при этом ротационную вытяжку, ротационное выглаживание и ротационный обжим осуществляют роликами с различной конфигурацией профиля, а ротационное выглаживание и ротационный обжим - с одинаковым зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед фосфатированием заготовок осуществляют обезжиривание в ваннах с содой кальцинированной, травление в ваннах с серной кислотой, а фосфатирование проводят в ваннах с преператом "Фоскон 5" (НК-11) с концентрацией 130÷170 г/л с добавкой нитрита натрия с концентрацией 0,2÷0,3 г/л при температуре 40÷60°С с последующим омыливанием в ваннах с мылом хозяйственным.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень деформации на первом проходе ротационной вытяжки задают в пределах 0,6÷0,9 степени деформации на последующем проходе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационное выглаживание осуществляют с величиной подачи на 1 оборот заготовки, в 1,5÷4,5 раза превышающей величину подачи на 1 оборот при ротационной вытяжке.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационное выглаживание осуществляют роликами с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 2÷2,5 раза величину осевой подачи на один оборот заготовки.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационное выглаживание осуществляют роликами с радиусом перехода плоской вершины в переднюю и заднюю поверхности профиля, равным 0,5÷0,8 радиуса вершины профиля роликов при ротационной вытяжке.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационное выглаживание осуществляют роликами с передним углом профиля, равным 0,4÷0,7 величины переднего угла профиля роликов при ротационной вытяжке.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационные выглаживание и обжим осуществляют на одной и той же оправке.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационные выглаживание и обжим осуществляют с зазором между внутренней поверхностью заготовки и оправкой величиной не более исходной толщины стенки заготовки.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационный обжим осуществляют с утонением стенки со степенью деформации не более 30%.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационный обжим осуществляют с величиной подачи на 1 оборот заготовки, равной 0,70÷0,9 величины подачи на один оборот заготовки при ротационной вытяжке.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационный обжим осуществляют роликами с плоской вершиной профиля длиной, превышающей в 3÷5 раз величину подачи на один оборот заготовки.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что ротационный обжим осуществляют роликами с передним и задним углами, равными, соответственно, переднему и заднему углам профиля роликов при ротационной вытяжке.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что упругое деформирование осуществляют внутренним гидравлическим давлением 250÷270 кГс/см² с выдержкой при этом давлении не менее 30 с.