СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК Российский патент 2015 года по МПК B21D22/16 B21D51/10 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам штамповки и ротационной вытяжки оболочковых особотонкостенных деталей, имеющих форму тел вращения.

Известен способ изготовления тонкостенных осесимметричных сосудов (см. патент RU N2131787, МПК B21D 51/10, 22/16, опубл. 20.06.1999), принятый за прототип. Способ включает изготовление цилиндрической части полуфабриката сосуда из плоской листовой заготовки, изготовление холодной штамповкой фасонной донной части полуфабриката сосуда из плоской листовой заготовки, сварку цилиндрической части полуфабриката сосуда продольным швом, подготовку торцевых кромок цилиндрической и донной частей под сварку, сварку донной и цилиндрической частей кольцевым швом, ротационную вытяжку цилиндрической части сосуда с одновременной раскаткой сварных швов и обработку резанием технологических припусков.

Способ позволяет изготавливать тонкостенные осесимметричные сосуды с фасонным дном, в том числе сферической формы качественные по геометрической форме и шероховатости поверхностей с минимальным расходом металла.

Чтобы обеспечить минимальный расход металла при изготовления донной и цилиндрической частей возможно использовать листовой прокат различной толщины, при этом толщину листового проката используемого для донной части сосуда выбирают равной толщине донной части сосуда.

Недостатками способа, взятого за прототип, являются:

1. Наличие сварных швов даже при их пластической деформации в процессе ротационной вытяжки снижает механические свойства металла в зоне сварки.

2. Изготовление высоконагруженных в процессе эксплуатации сосудов, типа камер малогабаритных ракетных двигателей, описанным способом требует значительный объем дополнительных работ по обеспечению качества сварных соединений (термообработка; рентгенографический контроль; магнитная дефектоскопия; гидравлические испытания; промывка и т.д.), что значительно удорожает технологию изготовления сосудов.

3. Способ не позволяет изготавливать сосуды с утолщением внутрь части цилиндрического участка, противоположного дну.

4. Для обеспечения необходимой прочности в зонах сварки кольцевым швом, как правило, необходимо выполнять утолщения, что утяжеляет сосуд.

Предлагаемым изобретением решается задача изготовления моноблочной тонкостенной осесимметричной оболочки, типа камеры ракетного двигателя малогабаритной ракеты, состоящей из пустотелого цилиндрического участка и пустотелой фасонной донной части, в том числе сферической формы, сопряженных между собой. При этом фасонное дно может сопрягаться с пустотелым цилиндром посредством пустотелого усеченного конуса; на наружной поверхности дна может быть выполнен кольцевой выступ для формирования посадочных поверхностей для присоединения ответных элементов изделия; на фасонном дне внутри оболочки может быть расположен пустотелый цилиндр, сопряженный с фасонным дном; конец цилиндрического участка, противоположный фасонной донной части, может быть изготовлен с утолщением внутрь.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в изготовлении оболочки с прочностными свойствами металла не менее заданных для термообработанного состояния в любом сечении сосуда.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкостенных моноблочных оболочек, содержащих пустотелый цилиндрический участок и пустотелую фасонную донную часть, включающий получение пустотелого полуфабриката с цилиндрической частью и фасонной донной частью, ротационную вытяжку цилиндрического участка пустотелого полуфабриката и окончательную обработку резанием поверхностей с технологическими припусками, при этом пустотелый полуфабрикат получают холодной штамповкой из плоской листовой заготовки, ротационную вытяжку цилиндрической части пустотелого полуфабриката осуществляют в два-три этапа с допустимой степенью деформации, при этом для изготовления плоской листовой заготовки используют листовой холоднокатаный прокат из стандартного ряда, толщину которого выбирают с учетом максимальной толщины плоской листовой заготовки для ротационной вытяжки тонкостенного цилиндрического участка, определенной по зависимости tmax=t/(1-ε₁)(1-ε₂)(1-ε₃), где ε₁; ε₂; ε₃ - допустимая степень деформации на 1, 2 и 3 этапах ротационной вытяжки, при этом толщину донной части оболочки получают обработкой резанием наружной поверхности фасонной донной части полуфабриката.

При обработке резанием наружной поверхности фасонной донной части полуфабриката на ней формируют кольцевой выступ с посадочными поверхностями для присоединения ответных частей изделия.

Пустотелый полуфабрикат получают с внутренним цилиндрическим пустотелым выступом в центре его фасонной донной части последовательной формовкой и обработкой резанием.

Выполняют сопряжение пустотелого цилиндра тонкостенной оболочки с ее пустотелой фасонной донной частью посредством участка в виде пустотелого усеченного конуса.

Пустотелый усеченный конус оболочки получают последовательным выполнением операций формовки, обработки резанием наружной поверхности и ротационной вытяжки за 1-2 этапа с соблюдением закона синуса, при этом ротационную вытяжку участка в виде пустотелого усеченного конуса совмещают с ротационной вытяжкой цилиндрического участка.

На конце цилиндрического участка, противоположного фасонной донной части оболочки, ротационным обжатием формируют внутреннее утолщение.

Толщина листовой заготовки определяется согласно зависимости:

$$t\max =t/\left(1-{\epsilon }_1\right)\left(1-{\epsilon }_2\right)\left(1-{\epsilon }_3\right);\left(\text{1}\right)$$

где

tmax - допустимая толщина листовой заготовки;

t - толщина тонкостенного цилиндрического участка оболочки;

ε₁; ε₂; ε₃ - допустимая степень деформации на 1, 2, 3 этапах ротационной вытяжки.

В случае равной степени деформации на всех этапах ротационной вытяжки зависимость приобретает вид:

$$t\max =t/{\left(1-\epsilon \right)}^n;\left(\text{2}\right)$$

где

n - количество этапов ротационной вытяжки.

Обработка резанием наружной поверхности полуфабриката позволяет формировать кольцевой выступ с посадочными поверхностями для присоединения ответных элементов изделия.

В процессе формовки и последующей обработки резанием в центральной части фасонного дна оболочки может быть сформирован пустотелый цилиндрический выступ внутри донной части для размещения в нем элементов изделия.

Сопряжение цилиндрического участка оболочки с фасонным дном может быть выполнено участком в виде пустотелого усеченного конуса, получаемого последовательным выполнением этапов формовки, обработки резанием наружной поверхности и ротационной вытяжки за один-два этапа с соблюдением закона Синуса. При этом ротационную вытяжку конического участка совмещают с ротационной вытяжкой цилиндрического участка.

На конце цилиндрического участка оболочки, противоположного фасонному дну, ротационным обжатием толстостенного напуска, образующегося после этапов ротационной вытяжки цилиндрического участка, может быть образован участок с утолщением внутрь для последующей обработки резанием точных посадочных поверхностей.

Использование листовой заготовки с толщиной согласно вышеприведенным зависимостям позволяет изготавливать пустотелый полуфабрикат небольшой высоты, что значительно сокращает необходимое количество этапов формовки, термообработки, обрезки торцевого припуска, нанесения и снятия покрытия и т.д.

Изготовление оболочки моноблочной с ротационной вытяжкой цилиндрического участка за два-три этапа обеспечивает равномерные механические характеристики металла во всех сечениях.

Обработка резанием наружной поверхности фасонной донной части полуфабриката незначительно увеличивает расход металла на изготовление оболочки, но при этом появляется возможность формирования на наружной поверхности фасонной донной части кольцевого выступа с посадочными поверхностями для ответных деталей изделия, не прибегая к сварке.

Использование листовой заготовки с толщиной согласно зависимостям 1 или 2 позволяет ротационным обжатием из толстостенного технологического напуска, образующегося на этапах ротационной вытяжки, получать утолщение концевого цилиндрического участка сосуда, противоположного фасонному дну внутрь для создания припуска на обработку резанием точных посадочных поверхностей. При реализации способа возможно также формирование холодной штамповкой и последующим резанием пустотелого цилиндрического участка, расположенного внутри фасонного дна в его центральной части для размещения в нем элементов изделия.

Для увеличения длины фасонной донной части сопряжение цилиндрического участка и фасонного дна возможно выполнять посредством пустотелого усеченного конуса, который выполняют формовкой, точением наружной поверхности и ротационной вытяжкой за один-два этапа с соблюдением закона Синуса. При этом формовка и ротационная вытяжка конического участка совмещена с формовкой и ротационной вытяжкой цилиндрического участка.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1-5 показана последовательность изготовления тонкостенной осесимметричной оболочки со всеми отличительными признаками, изложенными в описании.

На фиг. 1 изображен пустотелый полуфабрикат, изготовленный последовательным выполнением этапов формовки из листовой заготовки толщиной t₀, состоящий из цилиндрического участка «А» с внутренним диаметром D и фасонной донной части в виде сферы с радиусом R и пустотелого усеченного конуса длиной В₀ с углом наклона образующей α₀°, при этом угол выбирается из условия ротационной вытяжки конического и цилиндрического участков одновременно роликом универсальной калибровки для цилиндрических деталей.

Внутри сферы выполнен пустотелый цилиндрический отросток с диаметром d.

На фиг. 2 изображен пустотелый полуфабрикат после обработки резанием наружной поверхности донной части до толщины стенок а; b; с, при этом оставлен кольцевой выступ с толщиной листовой заготовки для обработки посадочных поверхностей.

На фиг. 3 изображена оболочка после первой ротационной вытяжки конического участка донной части и цилиндрического участка в размеры a₁; В₁; α₁°; t₁; А₁; D с получением напуска длиной L с толщиной листовой заготовки.

На фиг. 4 изображена оболочка после второй ротационной вытяжки конического участка донной части и цилиндрического участка в окончательные размеры а; В; α°; t; A; D.

На фиг. 5 изображена оболочка после ротационного обжатия внутрь цилиндрического участка, противоположного донной части, с размерами D₁ и е.

Пример использования предлагаемого решения при изготовлении тонкостенной оболочки (как на фиг. 5) с геометрическими размерами: D=150 мм; t=0,9 мм; А=203 мм; В=60 мм; а=0,9 мм; α°=7°; b=2,2 мм; D₁=148 мм; е=3,7 мм; R=120 мм; d=49 мм; с=2 мм из мартенситностареющей стали ЧС4ВИ.

По зависимости 2 определяют максимальную толщину листовой заготовки, которую можно использовать при изготовлении оболочки за две этапа ротационной вытяжки с допустимой степенью деформации =0,6.

tmax=0,9/(1-0,6)²=5,6 мм.

Из стандартного ряда листового холоднокатаного проката выбирают лист с толщиной t₀=5 мм.

Из листовой заготовки вырезают круг диаметром 330 мм и последовательной формовкой на гидравлическом прессе усилием 400 т.с. изготавливают пустотелый полуфабрикат, как на фиг. 1 с геометрическими размерами: D=150 мм; А=115 мм; радиусом сферы R=120 мм; с пустотелым цилиндрическим отростком, расположенным внутри сферы диаметром d=49 мм, с углом наклона образующей конического участка α₀ ^о=30° и длиной В₀=15 мм.

Наружную поверхность фасонной донной части полуфабриката обрабатывают резанием на токарном станке, как на фиг. 2 в размеры а₀=3,7 мм; b=2,2 мм; с=2 мм, при этом оставляют кольцевой выступ с толщиной t₀, необходимый для обработки посадочных поверхностей.

После обработки резанием конический участок фасонной донной части и цилиндрический участок полуфабриката подвергают ротационной вытяжке на раскатном стане St40-22CNC и получают оболочку, как на фиг. 3 с размерами а₁=2,2 мм; α₁°=17°; В₁=25 мм; t₁=2,2 мм; A₁=177 мм; D=150 мм и напуском L=50 мм. Полученную оболочку термически обрабатывают для снятия напряжений, затем производят второй этап ротационной вытяжки на раскатном стане и получают оболочку, как на фиг. 4 с размерами а=0,9 мм; α°=7°; В=60 мм; t=0,9 мм; А=203 мм; D=150 мм и напуском L=50 мм. После чего на раскатном стане производят обжатие конца цилиндрического участка (напуска), противоположного фасонному дну, и получают оболочку, как на фиг. 5 с диаметром обжатого участка D₁=148 мм и толщиной стенки е=3,7 мм. Полученную оболочку подвергают старению и окончательной обработке резанием посадочных поверхностей.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам штамповки и ротационной вытяжки тонкостенных оболочек. Из плоской листовой заготовки определенной толщины формуют пустотелый полуфабрикат с фасонной донной частью. Ротационную вытяжку тонкостенного цилиндрического участка оболочки осуществляют за две-три операции с допустимой степенью деформации. При этом толщину донной части оболочки получают обработкой резанием наружной поверхности донной части полуфабриката. В процессе точения наружной поверхности донной части полуфабриката на ней формируют кольцевой выступ с посадочными поверхностями для присоединения ответных частей изделия. В центральной части фасонного дна полуфабриката последовательной формовкой и обработкой резанием получают пустотелый цилиндрический выступ внутри донной части. Сопряжение цилиндрического участка и фасонной донной части оболочки выполняют посредством пустотелого усеченного конуса. На конце цилиндрического участка, противоположного фасонной донной части оболочки, ротационным обжатием формируют утолщение цилиндрического участка внутрь. Пустотелый усеченный конус оболочки получают последовательной формовкой, резанием наружной поверхности и ротационной вытяжкой. При этом ротационную вытяжку конического участка совмещают с ротационной вытяжкой цилиндрического участка. Повышается прочность оболочки. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления тонкостенных моноблочных оболочек, содержащих пустотелый цилиндрический участок и пустотелую фасонную донную часть, включающий получение пустотелого полуфабриката с цилиндрической частью и фасонной донной частью, ротационную вытяжку цилиндрического участка пустотелого полуфабриката и окончательную обработку резанием поверхностей с технологическими припусками, при этом пустотелый полуфабрикат получают холодной штамповкой из плоской листовой заготовки, ротационную вытяжку цилиндрической части пустотелого полуфабриката осуществляют в два-три этапа с допустимой степенью деформации, при этом для изготовления плоской листовой заготовки используют листовой холоднокатаный прокат из стандартного ряда, толщину которого выбирают с учетом максимальной толщины плоской листовой заготовки для ротационной вытяжки тонкостенного цилиндрического участка, определенной по зависимости tmax=t/(1-ε₁)(1-ε₂)(1-ε₃), где ε₁; ε₂; ε₃ - допустимая степень деформации на 1, 2 и 3 этапах ротационной вытяжки, при этом толщину донной части оболочки получают обработкой резанием наружной поверхности фасонной донной части полуфабриката.

2. Способ по п. 1, в котором при обработке резанием наружной поверхности фасонной донной части полуфабриката на ней формируют кольцевой выступ с посадочными поверхностями для присоединения ответных частей изделия.

3. Способ по п. 1, в котором пустотелый полуфабрикат получают с внутренним цилиндрическим пустотелым выступом в центре его фасонной донной части последовательной формовкой и обработкой резанием.

4. Способ по п. 1, в котором выполняют сопряжение пустотелого цилиндра тонкостенной оболочки с ее пустотелой фасонной донной частью посредством участка в виде пустотелого усеченного конуса.

5. Способ по п. 4, в котором пустотелый усеченный конус оболочки получают последовательным выполнением этапов формовки, обработки резанием наружной поверхности и ротационной вытяжки за 1-2 этапа с соблюдением закона синуса, при этом ротационную вытяжку участка в виде пустотелого усеченного конуса совмещают с ротационной вытяжкой цилиндрического участка.

6. Способ по п. 1, в котором на конце цилиндрического участка, противоположного фасонной донной части оболочки, ротационным обжатием формируют внутреннее утолщение.