СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОБОЛОЧЕК С ДНОМ Российский патент 2016 года по МПК B21D22/16 

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 г. ), выбранный в качестве аналога. Способ включает изготовление цилиндрической части полуфабриката сосуда из плоской листовой заготовки, изготовление холодной штамповкой фасонной донной части полуфабриката сосуда из плоской листовой заготовки, подготовку торцов цилиндрической и донной частей под сварку, сварку донной и цилиндрической частей кольцевым швом, ротационную вытяжку цилиндрической части сосуда с одновременной раскаткой сварного шва и обработку резанием технологических припусков.

Способ позволяет изготавливать сосуды сложной формы, в том числе с криволинейным дном при минимальном расходе металла, для чего необходимо использовать два листовых проката:

- для донной части лист толщиной, равной толщине донной части сосуда;

- для цилиндрической части лист толщиной с необходимым припуском под ротационную вытяжку.

Недостатками аналога являются:

- наличие сварного шва даже при его пластической деформации в процессе ротационной вытяжки снижает механические свойства металла в зоне сварки;

- изготовление высоконагруженных в процессе эксплуатации сосудов типа оболочек малогабаритных ракетных двигателей, описанным способом требует значительный объем работ по обеспечению качества сварного соединения (термообработка, рентгенографический контроль, магнитная дефектоскопия, гидравлические испытания: промывка и т.д.), что значительно удорожает технологию изготовления сосудов.

Для обеспечения необходимой прочности в зоне сварки, как правило, необходимо выполнять утолщения, что утяжеляет сосуд.

Известен способ изготовления оболочки сложной формы, состоящей из цилиндрического (цилиндроконического) элемента, сопряженного с криволинейным элементом (дном), включающий изготовление исходной листовой заготовки, изготовление холодной штамповкой толстостенной заготовки типа «Стакан», состоящей из цилиндрического (цилиндроконического) элемента, сопряженного с криволинейным дном с толщиной стенки, равной 4-6 минимальным толщинам оболочки, ротационную вытяжку криволинейного элемента (дна) с соблюдением закона Синуса, ротационную вытяжку цилиндрического (цилиндроконического) элемента за 2-3 операции, промежуточные операции термообработки для снятия напряжений, обработку резанием и вспомогательные операции для получения качественной оболочки, окончательную упрочняющую термообработку и окончательную обработку резанием посадочных поверхностей. Толщину заготовки типа «Стакан» выбирают из оптимального варианта при изготовлении наиболее сложного для данной оболочки элемента. Определяющим элементом для выбора толщины заготовки типа «Стакан», как правило, является цилиндрический элемент оболочки, имеющий меньшую толщину стенки и большую длину, который необходимо получить за 2-3 операции ротационной вытяжки (см. РТМ 3-1674-85 л.27, 28 п. 4.4). Способ принят за прототип.

Наиболее сложными в производстве являются оболочки двигательных установок малогабаритных ракет, состоящие из цилиндрического (цилиндроконического) элемента, сопряженного с криволинейным дном постоянной толщины в виде сочетания шарового сегмента, сопряженного тангенциально с частью сферического кольца, у которых внутренний радиус больше радиуса внутреннего диаметра цилиндрического элемента оболочки (т.е. криволинейный элемент имеет большие углы конусности образующей).

Недостатками прототипа являются:

1. При изготовлении оболочек с криволинейным элементом (дном) в виде шарового сегмента, сопряженного тангенциально с частью шарового кольца, у которого радиус внутренней поверхности больше внутреннего радиуса цилиндрического элемента оболочки из заготовки типа «Стакан» с постоянной толщиной стенки, получаемой холодной вытяжкой из листовой исходной заготовки, ротационная вытяжка криволинейного элемента возможна только на небольшом участке сопряжения части шарового кольца с цилиндрическим элементом из-за больших углов конусности внутренней поверхности криволинейного участка, при этом наружную поверхность практически всего криволинейного элемента обрабатывают резанием, удаляя припуск, равный разнице между толщиной исходной листовой заготовки и толщиной дна оболочки, что приводит к большому расходу металла, повышенным трудовым и энергетическим затратам.

2. Большая часть внутренней поверхности криволинейного элемента (дна) остается с шероховатостью листовой заготовки.

Предлагаемым изобретением решается задача изготовления тонкостенной оболочки сложной формы (типа оболочки двигательной установки малогабаритной ракеты), состоящей из цилиндрического (цилиндроконического) элемента, сопряженного с криволинейным донным элементом постоянной толщины, состоящим из сочетания шарового сегмента, сопряженного тангенциально с частью сферического кольца, радиус внутренней поверхности которого больше радиуса внутренней поверхности цилиндрического элемента оболочки, с выполнением ротационной вытяжки криволинейного донного участка на всем участке части сферического кольца.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в изготовлении моноблочной тонкостенной оболочки с уменьшенной высотой микронеровностей относительно исходной на внутренней поверхности части сферического кольца при снижении трудовых, материальных и энергетических затрат.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления тонкостенной оболочки сложной формы, состоящей из цилиндрического (цилиндроконического) элемента, сопряженного с криволинейным донным элементом постоянной толщины, выполненным из сочетания шарового сегмента, сопряженного тангенциально с частью сферического кольца, радиус внутренней поверхности которого больше радиуса внутренней поверхности цилиндрического элемента оболочки, включающий изготовление плоской листовой заготовки, формовку холодной штамповкой заготовки типа «Стакан», ротационную вытяжку криволинейного элемента (дна) оболочки, ротационную вытяжку цилиндрического (цилиндроконического) элемента оболочки за 2-3 операции, промежуточные операции обработки резанием и термообработки для снятия напряжений, окончательную упрочняющую термообработку и окончательную обработку резанием посадочных поверхностей, новым является то, что формовку холодной штамповкой заготовки типа «стакан» выполняют предварительно и окончательно с получением на окончательной операции холодной штамповки внутренней поверхности криволинейного элемента с геометрическими размерами оболочки, а ротационную вытяжку криволинейного элемента осуществляют на участке части сферического кольца перед окончательной операцией холодной штамповки, получая полуфабрикат заготовки с переменной толщиной дна, а окончательную постоянную толщину дна криволинейного элемента оболочки получают обработкой резанием ее наружной поверхности после окончательной холодной штамповки заготовки типа «стакан».

После предварительной холодной штамповки получают заготовку типа «стакан» с геометрическими размерами дна, обеспечивающими качественное формирование криволинейного элемента оболочки ротационной вытяжкой на участке части сферического кольца при соблюдении закона Синуса.

Внутренний диаметр цилиндрического элемента заготовки типа «стакан» после предварительной штамповки выполняют с размером, большим внутреннего диаметра цилиндрического элемента оболочки исходя из допустимого коэффициента вытяжки на окончательной операции холодной штамповки.

Внутреннюю криволинейную поверхность полуфабриката на участке части сферического кольца выполняют с радиусом, меньшим внутреннего радиуса цилиндрического элемента заготовки типа «стакан», после предварительной холодной штамповки.

Выполнение полуфабриката с внутренним радиусом криволинейной поверхности на участке части сферического кольца, меньшим внутреннего радиуса цилиндрического элемента заготовки типа «стакан», после предварительной операции холодной штамповки позволяет уменьшить углы конусности криволинейного участка и провести ротационную вытяжку дна (за исключением участка под прижим заготовки к раскатной оправке) с изменением толщины от исходной толщины листа (в зоне прижима) до толщины дна оболочки с минимальным припуском (в зоне сопряжения с цилиндрическим элементом оболочки), увеличить длину полуфабриката относительно высоты заготовки типа «стакан» после предварительной холодной штамповки за счет сдвига металла вдоль оправки, что позволяет уменьшить диаметр исходной листовой заготовки и припуск на обработку наружной поверхности криволинейного элемента и, как следствие, уменьшить расход металла, а плотный контакт металла с оправкой в процессе сдвига позволяет значительно уменьшить шероховатость внутренней поверхности криволинейного элемента оболочки на всем протяжении части сферического кольца.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1-7 показана последовательность изготовления тонкостенной оболочки сложной формы, состоящей из цилиндрического элемента, сопряженного с криволинейным элементом (дном) постоянной толщины в виде сочетания шарового сегмента, сопряженного тангенциально с частью сферического кольца.

На фиг. 1 изображена заготовка типа «стакан» с постоянной толщиной стенки to после выполнения предварительной операции холодной штамповки из исходной листовой заготовки, состоящая из цилиндрического элемента с внутренним диаметром - Dп, сопряженного с фасонной донной частью. Фасонная донная часть имеет шаровой сегмент с внутренним радиусом - Rш.с. Внутренний диаметр цилиндрического элемента - Dп=D/m, где D - внутренний диаметр цилиндрического элемента оболочки, m - коэффициент вытяжки на окончательной операции холодной штамповки.

На фиг. 2 изображен полуфабрикат заготовки типа «стакан» после ротационной вытяжки криволинейного участка от d до D (начало и конец части сферического кольца) с толщиной стенки, изменяющейся от t₀ до tп с геометрическими размерами внутренних поверхностей полуфабриката - Dп; Rш.c; Rч.с.к.п. - радиус части сферического кольца полуфабриката, при этом Rч.с.к.п. выполняют меньшим Dп/2.

На фиг. 3 изображена заготовка типа «стакан» после выполнения окончательной операции холодной штамповки с внутренним диаметром цилиндрического элемента D, сопряженного с криволинейным элементом в виде шарового сегмента внутренним радиусом Rш.c., сопряженного тангенциально с внутренним радиусом части сферического кольца Rч.с.к., равными по величине размерам оболочки.

На фиг. 4 изображена заготовка типа «стакан» после обработки резанием наружной поверхности криволинейного элемента до толщины оболочки - tк.

На фиг. 5 изображена оболочка сложной формы после выполнения первой операции ротационной вытяжки цилиндрического элемента до толщины стенки t₁ на длине L₁.

На фиг. 6 изображена оболочка сложной формы после выполнения второй операции ротационной вытяжки цилиндрического элемента до толщины стенки t на участке А.

На фиг. 7 изображена оболочка сложной формы после выполнения третьей операции ротационной вытяжки с обжатием внутрь цилиндрического элемента, противоположного донной части на участке В до диаметра D₁, толщины стенки t₂ и обрезки торцового напуска.

Пример использования предлагаемого решения при изготовлении из мартенситностареющей стали ЧС4 - ИД тонкостенной оболочки сложного профиля (как на фиг. 7) с геометрическими размерами: D=150 мм; t=0,9 мм; А=375 мм; D₁=146,2 мм; t₁=1,8 мм; Б=55 мм; В=70 мм; tк=2,2 мм; Rш.с - 173 мм; Rч.ш.к.=83,5 мм.

Из стандартного ряда листового холоднокатаного проката выбирают лист толщиной to=5 мм. Лист разрубают на квадраты со стороной, равной 333 мм, из квадрата вырезают круг диаметром 331 мм. За несколько предварительных операций холодной штамповки на гидравлическом прессе усилием 400 т.с. изготавливают заготовку типа «стакан» как на фиг. 1 с диаметром Dп.=170 мм и радиусом шарового сегмента Rш.c=173 мм. Донную часть заготовки типа «стакан» подвергают ротационной вытяжке и изготавливают полуфабрикат как на фиг. 2, с радиусом части сферического кольца полуфабриката - Rч.с.к.п.=75 мм (меньше, чем радиус цилиндрического элемента заготовки), формируя дно переменной толщины от to=5 мм вначале до tп=3,6 мм в конце части сферического кольца, сопряженного тангенциально с шаровым сегментом. Полученный полуфабрикат подвергают холодной штамповке и изготавливают заготовку типа «стакан», как на фиг. 3, с размерами внутренней поверхности Rш.c=173 мм; Rч.с.к.=83,5 мм; D=150 мм, соответствующими размерам оболочки. За счет выполнения ротационной вытяжки криволинейного элемента длина цилиндрического элемента заготовки типа «стакан» увеличивается по сравнению с получаемой только холодной штамповкой на 9,5 мм и становится достаточной для получения в процессе последующей ротационной вытяжки цилиндрического элемента заданной длины оболочки.

Наружную поверхность заготовки типа «стакан» на криволинейном участке обрабатывают резанием, как на фиг. 4, до толщины дна tк=2,2 мм. Последовательно, как на фиг. 5,6,7, выполняют операции ротационной вытяжки цилиндрического элемента до получения заданных геометрических размеров оболочки. При проведении вышеперечисленных работ производят термическую обработку для снятия напряжений, полученных между операциями холодной штамповки и ротационной вытяжки. После выполнения последней операции ротационной вытяжки отрезают торцевой напуск, производят упрочняющую термическую обработку - старение и обрабатывают посадочные поверхности.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности, к способам штамповки и ротационной вытяжки оболочковых особотонкостенных деталей. Осуществляют изготовление плоской листовой заготовки, формовку из нее предварительной холодной штамповкой заготовки типа стакан в виде цилиндрического элемента, сопряженного с криволинейным донным элементом. Далее осуществляют ротационную вытяжку криволинейного донного элемента с получением полуфабриката с переменной толщиной криволинейного донного элемента и окончательную холодную штамповку полуфабриката с получением заготовки типа стакан с размерами внутренней поверхности криволинейного донного элемента, соответствующими размерам оболочки. Затем осуществляют обработку резанием наружной поверхности криволинейного донного элемента с получением окончательной постоянной толщины криволинейного донного элемента, ротационную вытяжку цилиндрического элемента за две или три операции, промежуточные операции обработки резанием и термообработки для снятия напряжений, окончательную упрочняющую термообработку и окончательную обработку резанием посадочных поверхностей. Уменьшается высота микронеровностей на внутренней поверхности части сферического кольца. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 пр.

1. Способ изготовления тонкостенной оболочки сложной формы, содержащей цилиндрический элемент, сопряженный с криволинейным донным элементом постоянной толщины, выполненным в виде шарового сегмента, тангенциально сопряженного с частью сферического кольца с радиусом его внутренней поверхности, превышающим радиус внутренней поверхности цилиндрического элемента, отличающийся тем, что осуществляют изготовление плоской листовой заготовки, формовку из нее предварительной холодной штамповкой заготовки типа стакан в виде цилиндрического элемента, сопряженного с криволинейным донным элементом, ротационную вытяжку криволинейного донного элемента с получением полуфабриката с переменной толщиной криволинейного донного элемента, окончательную холодную штамповку полуфабриката, полученного ротационной вытяжкой криволинейного донного элемента, с получением заготовки типа стакан с размерами внутренней поверхности криволинейного донного элемента, соответствующими размерам оболочки, обработку резанием наружной поверхности криволинейного донного элемента с получением окончательной постоянной толщины криволинейного донного элемента, ротационную вытяжку цилиндрического элемента за 2 или 3 операции, промежуточные операции обработки резанием и термообработки для снятия напряжений, окончательную упрочняющую термообработку и окончательную обработку резанием посадочных поверхностей.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительную холодную штамповку осуществляют с получением заготовки типа стакан размерами дна, обеспечивающими ротационную вытяжку криволинейного донного элемента на участке части сферического кольца по закону Синуса.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что предварительную холодную штамповку осуществляют с получением заготовки типа стакан с внутренним диаметром цилиндрического элемента, превышающим внутренний диаметр цилиндрического элемента оболочки исходя из допустимого коэффициента вытяжки на окончательной операции холодной штамповки.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ротационную вытяжку криволинейного донного элемента осуществляют с получением полуфабриката с радиусом внутренней поверхности на участке части сферического кольца, меньшим внутреннего радиуса цилиндрического элемента заготовки типа стакан, полученной предварительной холодной штамповкой.