Способ изготовления водоохлаждаемой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела и штамп для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК B21K21/08 B21K25/00 B21J13/02 

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к инструменту прошивных станов и может быть использовано на станах поперечно-винтовой прокатки.

Способ включает получение водоохлаждаемой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела, состоящей из внутреннего тела и наружного корпуса, преимущественно, методом горячей объемной штамповки путем раздельного получения внутреннего тела оправки из материала с высокой теплопроводностью и наружного полого корпуса из жаропрочного сплава и последующего совместного обжима их в штампе.

Известен способ изготовления прошивных оправок трубопрокатных станов путем дуговой и электрошлаковой наплавки жаропрочного сплава на носок и раскатную (сферическую) поверхность прошивной оправки (Соколов Г. Н. Способы повышения ресурса прошивных оправок трубопрокатных станов / Г. Н Соколов, В. Б. Литвиненко-Арьков, В. И. Лысак // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 11. C. 10−14).

Недостатком известного способа является сложность и длительность процесса, малая толщина получаемого покрытия, необходимость обработки поверхности оправки после наплавки.

Прототипом изобретения является способ изготовления составных прошивных оправок трубопрокатных станов путем соединения по резьбе или сваркой носка и основной части прошивной оправки, при этом часть оправки изготавливается из жаропрочного сплава, а часть оправки, не подвергаемую воздействию высоких температур, из обычной стали (Романцев Б. А., Матыко О. К., Гончарук А. В. и др. Повышение износостойкости оправок прошивного стана // Изв. вузов. Черная металлургия. 2008. № 11. С. 16−19).

Недостатком известного способа является сложность изготовления и низкая надежность соединения частей оправки, низкая стойкость оправки, высокая стоимость оправок прошивного стана.

Техническая задача изобретения состояла в устранении недостатков известных технических решений.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение стойкости оправок прошивного стана, упрощение технологического процесса и снижение стоимости их изготовления.

Технический результат достигается тем, что при изготовлении водоохлаждаемой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела, содержащего внутреннее тело и наружный полый корпус, в начале раздельно, преимущественно, горячей объемной штамповкой, из разных материалов, получают внутреннее тело оправки из материала с высокой теплопроводностью и наружный полый корпус из жаропрочного сплава без формообразования заднего участка оправки, затем в наружный корпус вставляют внутреннее тело и совместно обжимают задний конический участок оправки. Совместный обжим внутреннего тела оправки и наружного полого корпуса для получения заднего конического участка прошивной оправки осуществляют при температуре, соответствующей температуре горячей штамповки. Для улучшения соединения (сварки) материала внутреннего тела оправки и наружного корпуса в нагретый до температуры горячей штамповки наружный корпус оправки может вставляться охлажденное внутреннее тело. В этом случае после совместного обжима наружный корпус оправки охлаждается, его размеры уменьшаются и наружный корпус плотно охватывает внутреннее тело.

Для реализации предложенного способа изготовления двухслойных водоохлаждаемых оправок для прошивного стана предложен штамп, характеризующийся тем, что содержит позиции для осадки исходной заготовки, штамповки выдавливанием наружного корпуса оправки, открытой штамповкой заднего конического участка оправки путем совместного обжима наружного корпуса и вставленного в него внутреннего тела оправки.

Вследствие тяжелых условий работы и сильного разогрева оправки прошивных станов изготавливают из хромоникелевых сталей. При этом улучшению условий охлаждения, снижению разогрева и повышению стойкости прошивных оправок способствует повышение теплопроводности материала прошивной оправки. Но хромоникелевые стали не обладают высокой теплопроводностью. Поэтому такие оправки сильно разогреваются и быстро выходят из строя. Использование двухслойной оправки позволяет совместить достоинства хромоникелевых сталей (жаростойкость и прочность) и углеродистых (высокая теплопроводность) и повысить стойкость оправки. При изготовлении двухслойной оправки материал наружного слоя оправки выбирается из условия обеспечения высокой прочности, жаро- и износостойкости, например, хромоникелевые стали 20ХН4ФА, 18ХНВА. Требования высокой жаро- и износостойкости к материалу внутреннего слоя не предъявляются. Материал внутреннего тела оправки должен иметь высокую теплопроводность для обеспечения хороших условий охлаждения, необходимую прочность, быть менее дорогостоящим, чем материал наружного слоя. Таким условиям удовлетворяют, например, сталь 30Г, сталь 40Г, сталь 60, которые имеют высокий коэффициент теплопроводности и высокие механические свойства. Размеры внутреннего тела оправки и наружного корпуса определяются исходя из условия обеспечения максимального охлаждения при использовании прошивной оправки и технологических возможностей ее получения. Расчеты показывают, что для заметного улучшения условий охлаждения оправки и повышения ее стойкости при использовании в качестве материала внутреннего тела оправки стали 30Г и наружного корпуса из стали 18ХНВА толщина наружного слоя двухслойной оправки (S₁) должна составлять не более 25-40% от общей толщины стенки оправки (S). В этом случае нагрев прошивной оправки значительно снижается, а стойкость оправки повышается в сравнении с известными прошивными оправками. При этом предложенный способ изготовления водоохлаждаемой оправки позволяет получать разную толщину наружного слоя из жаропрочного сплава в разных частях оправки в зависимости от условий работы разных частей оправки, например, на участке рабочего конуса толщина может быть значительно больше, чем на обратном конусе оправке.

В связи с тем, что при проведении патентно-информационного поиска и анализа предлагаемого способа не было обнаружено технических решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающими предлагаемый способ и устройство от прототипа, заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

Сущность предложенного способа поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.

На фиг. 1 представлена водоохлаждаемая оправка прошивного стана в виде двухслойного полого тела.

На фиг. 2 представлено внутреннее тело двухслойной оправки (а) и процесс его изготовления горячей штамповкой (б).

На фиг. 3 представлен наружный корпус двухслойной оправки (а) и процесс его изготовления горячей штамповкой (б).

На фиг.4 представлена схема штамповки заднего конуса оправки в начале и конце процесса (а) и процесс штамповки заднего конуса (б).

На фиг. 5 представлен штамп для изготовления внутреннего тела двухслойной водоохлаждаемой оправки прошивного стана.

На фиг. 6 представлен штамп для изготовления наружного корпуса и готовой оправки прошивного стана.

Штамп для изготовления водоохлаждаемой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела.

Двухслойная водоохлаждаемая оправка прошивного стана (фиг.1) состоит из внутреннего полого тела 1 и наружного корпуса 2, выполненных из разных материалов.

При изготовлении оправки прошивного стана предлагаемым способом вначале происходит получение, преимущественно горячей штамповкой за 2-3 перехода, внутреннего тела (внутренней части) двухслойной водоохлаждаемой оправки прошивного стана (фиг.2). Внутренние (d, h) и наружные (Dвн, Hвн) размеры внутреннего тела оправки определяются тепловым расчетом условий охлаждения и расчетом на прочность двухслойной оправки. При горячей штамповке внутреннего тела на первом переходе происходит осадка исходной заготовки, на втором переходе - горячая штамповка выдавливанием внутреннего тела оправки (фиг.2б). При большой глубине внутренней полости выдавливание может происходить за 2 перехода.

Далее происходит изготовление, преимущественно горячей штамповкой за 2-3 перехода, наружного полого корпуса двухслойной прошивной оправки без образования обратного конуса (фиг.3а). На первом переходе происходит осадка исходной заготовки, далее - горячая штамповка выдавливанием наружного корпуса оправки из жаростойкой стали (фиг.3б). Размеры H^', D, H_вн, D _вн определяются размерами готовой оправки и внутреннего тела с учетом изменения этих размеров при последующем совместном обжиме наружного корпуса и внутреннего тела.

После получения наружного корпуса оправки в него вставляется ранее полученное внутреннее тело и производится обжим заднего конического участка оправки совместной деформацией (обжимом) наружного корпуса и внутреннего тела оправки (фиг.4а). Обжим заднего конуса оправки может осуществляться в отдельном штампе или в общем штампе для штамповки наружного корпуса и обжима открытой штамповкой заднего конуса оправки (фиг.6). При совместной деформации происходит обжим наружного корпуса с образованием обратного конуса оправки и его плотное соединение с внутренним телом оправки (фиг.4б). Последующее охлаждение наружного корпуса увеличивает прочность соединения частей оправки. При обжиме обратного конуса на оправке может образоваться не большой заусенец (фиг.4б), который убирается в дальнейшем при окончательной обработке прошивной оправки.

Для реализации предложенного способа изготовления двухслойной водоохлаждаемой оправки прошивного стана предложена штамповая оснастка (фиг.5, 6).

На фиг. 5 представлен штамп для изготовления внутреннего полого тела оправки прошивного стана, который имеет две позиции штамповки (I, II). Штамп состоит из матриц 1, 2, пуансона 4, осадочной плиты 3, верхней 5 и нижней 6 плит, выталкивателя 8.

Осадочная плита 3 осуществляет осадку заготовки 7 в матрице для осадки 1 на позиции I штампа. Объем заготовки, необходимой для получения внутреннего тела оправки, определяется из условия сохранения объема металла при пластической деформации. Размеры заготовки определяются из условия, что отношение высоты заготовки к ее диаметру не превышает 2,5, т.е. Hз /Dз ≤ 2,5. При осадке наряду с уменьшением высоты и увеличением диаметра заготовки (D_ос) происходит формирование входного конуса заготовки. Заготовка после осадки должна свободно входить в матрицу 2, т.е. D₂ =D_ос + 2÷5 мм. Далее на позиции II происходит штамповка выдавливанием пуансоном 4 в матрице 2 внутреннего полого тела двухслойной оправки с размерами h, H_вн, D₂.

На фиг.6 представлен штамп для изготовления наружного корпуса оправки (поз. I, II штампа) и готовой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела совместным обжимом наружного корпуса и внутреннего тела оправки (поз. III). Штамп состоит из осадочной плиты 1, пуансонов 2, 3, матриц 4,5, 6, выталкивателей 7, 8, верхней 9 и нижней 10 плит.

На позиции I штампа происходит предварительная осадка плитой 1 в матрице 4 исходной заготовки для последующей штамповки наружного корпуса оправки. Объем заготовки определяется из условия сохранения объема металла при пластической деформации. Диаметр заготовки D_ос после осадки выбирается из расчета, чтобы заготовка свободно входила и хорошо центрировалась в матрице 5. При исследовании и отработке технологического процесса диаметр заготовки после осадки выбирался на 2-4мм меньше диаметра матрицы 5, т.е. D_ос = D - 2÷4мм.

На позиции II штампа происходит штамповка выдавливанием наружного корпуса оправки в матрице 5 пуансоном 2. Для свободного входа в матрицу 6 на III позиции диаметр матрицы 5 меньше диаметра готовой оправки на 1-2 мм. Для свободного входа внутреннего тела оправки в наружный корпус диаметр пуансона 2 меньше диаметра внутреннего тела оправки на 1-2 мм. После штамповки наружный корпус оправки перекладываются на позицию III штампа.

На III позиции штампа в наружный корпус вставляется ранее отштампованное и охлажденное внутреннее тело оправки и открытой штамповкой выполняют окончательное формообразование заднего конического участка диаметром D_к двухслойной оправки 11 пуансоном 3. Высота оправки соответствует размерам готовой оправки H.

Исследование предложенного способа изготовления двухслойной оправки прошивного стана диаметром 130 мм цифровым моделированием показало осуществимость данного способа (фиг. 2б, 3б, 4б). После определения размеров внутреннего тела и наружного корпуса оправки были определены размеры исходных заготовок для их горячей штамповки. Исходная заготовка для штамповки внутреннего тела оправки имеет размеры D80х193мм. Технологическое усилие штамповки равно 7 МН. Исходная заготовка для штамповки наружного корпуса оправки имеет размеры D78х182мм. Технологическое усилие штамповки равно 5,9 МН. Технологическое усилие открытой объемной штамповки заднего конуса оправки в штампе (фиг. 4б) равно 4,4 МН. Цифровое моделирование процесса показало, что дефекты при получении горячей штамповкой внутреннего тела, наружного корпуса, готовой двухслойной оправки отсутствуют. Оправка после штамповки требует минимальной обработке (удаление заусенца, образующегося при обжиме заднего конического участка, сверление при необходимости радиальных отверстий).

Использование предложенного способа изготовления двухслойной водоохлаждаемой оправки позволит за счет улучшения условий охлаждения повысить стойкость и уменьшить расход прошивных оправок, уменьшить расход дорогостоящих хромоникелевых сталей, снизить простои оборудования, связанные с заменой оправок, улучшить качество труб за счет уменьшения вероятности использования изношенной оправки.

Цифровое моделирование предложенного способа изготовления двухслойной оправки прошивного стана диаметром 130 мм подтвердило его осуществимость и возможность использования в промышленности при изготовлении оправок прошивных станов.

Изобретение относится к трубопрокатному производству, а именно к инструменту прошивных станов, и может быть использовано на станах поперечно-винтовой прокатки. При изготовлении водоохлаждаемой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела получают внутреннее тело из углеродистой стали и наружный полый корпус из хромоникелевой стали. Устанавливают внутреннее тело в наружный полый корпус и осуществляют их совместный обжим с образованием заднего конического участка оправки. Штамп содержит позиции осадки исходной заготовки для внутреннего тела оправки и штамповки выдавливанием с получением внутреннего тела, осадки исходной заготовки для наружного полого корпуса и штамповки выдавливанием с получением наружного полого корпуса и открытой штамповки для совместного обжима корпуса и установленного в нем внутреннего тела. В результате обеспечивается повышение стойкости оправки и упрощение технологического процесса ее изготовления. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления водоохлаждаемой оправки прошивного стана в виде двухслойного полого тела, содержащего внутреннее тело и наружный полый корпус, отличающийся тем, что получают внутреннее тело оправки из углеродистой стали и наружный полый корпус из хромоникелевой стали, устанавливают внутреннее тело в наружный полый корпус и осуществляют совместный обжим наружного полого корпуса и установленного в нем внутреннего тела с образованием заднего конического участка оправки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутреннее тело оправки и полый наружный корпус получают горячей штамповкой.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что совместный обжим заднего участка внутреннего тела и наружного полого корпуса осуществляют при температуре, соответствующей температуре горячей штамповки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что осуществляют установку охлажденного внутреннего тела в нагретый до температуры горячей штамповки наружный полый корпус.

5. Штамп для изготовления водоохлаждаемой оправки прошивного стана способом по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что он содержит позиции осадки исходной заготовки для внутреннего тела оправки и штамповки выдавливанием с получением внутреннего тела оправки, осадки исходной заготовки для наружного полого корпуса оправки и штамповки выдавливанием с получением наружного полого корпуса оправки и открытой штамповки для совместного обжима наружного полого корпуса и установленного в нем внутреннего тела с образованием заднего конического участка оправки.