Спосіб виготовлення тонкостінних посудин високого тиску і пристрій для його здійснення

 

Винахід відноситься до галузі обробки металів тиском, а саме до виготовлення посудин високого тиску, наприклад, різних балонів, лейнеров, вогнегасників тощо, призначених для зріджених і розчинених газів, що використовуються в різних областях техніки.

Основними вимогами, що пред'являються до судин високого тиску, є забезпечення їх високої конструктивної міцності та експлуатаційної надійності при мінімальних вагових характеристиках. Тому для виготовлення полегшених судин використовують високоміцні леговані сталі, які дозволяють при мінімальних товщинах стінки витримувати високі робочі тиску.

Проте виготовлення полегшених тонкостінних судин пов'язане з великими проблемами при формоутворенні циліндричної частини і горловини, пов'язані з високою схильністю до гофрообразованию в процесі формоутворення.

При визначенні рівня техніки використовувалися загальнодоступні відомості, надані в різних вітчизняних і зарубіжних джерелах інформації.

Відомий спосіб виготовлення балонів, описаний в книзі М.А.Гредитора. «Давильние роботи і ротаційне видавлювання», Москва, Машинобудування, 1971 г.тановки на довжині на 5÷10 мм більше довжини деформівного ділянки до температури 1100÷1250°C, потім вводять її в пустотілий шпиндель західною машини і закріплюють у ньому. Шпинделю машини надають обертання. Потім деформуючим інструментом тертя надають форму днища. При повороті формователя - інструменту тертя метал видавлюється в середину заготівлі, стик металу ущільнюється, а шов зварюється. Після цього закочують горловину формователем, мають профіль горловини (рис.38, стр.60).

Недоліком відомого способу є невисока міцність в циліндричній частині балона при великій товщині стінки (22÷32 мм), що обумовлює великий вага балона.

Крім того, у стику днища балона можливі непровари, тріщини (стр.63), що вимагає додаткові механічні обробки - висвердлювання дефектної зони, нарізування різьблення і після цього заглушению різьбовою пробкою.

Відомий також спосіб виготовлення балонів (а.с. СРСР №1002071, кл. В21D 51/24, 1983 р.), в якому закатку горловини балона здійснюють шляхом формування перехідного і циліндричного ділянок нагрітого кінця обертається трубної заготовки формує і з поворотом роликів відносно осі підпирають роликами. Недоліком даного способу при деформації тонкостінних заготовок з-за високої разової деформації являЀофиля горловини і днищ з поворотом формує і підпирає роликів або інструменту тертя відносно осі заготовки потрібно застосування спеціального обладнання. В результаті обмежуються технологічні використання відомих способів для закачування горловин і днищ балонів на універсальному обладнанні типу токарних і обкатних верстатів, що застосовуються в машинобудуванні.

До недоліків цього технічного рішення є також відсутність операції формозміни циліндричної частини заготовок підвищує точність геометричних розмірів і механічну і циклічну міцність посудин тиску при мінімальних товщинах стінки.

Найбільш близьким за своєю технічною суттю є «Спосіб закачування горловини - патент UA 2002538 C1, B21D 51/24 включає поетапне формування перехідного і циліндричного ділянок горловини на нагрітому кінці обертається трубної циліндричної заготовки з формуючим і опорно-калибрующим роликами, на першому етапі опорно-калибрующим роликом на кінці трубчастої (циліндричної) формують опорний ділянку, на другому етапі опорний ділянку переформовують зворотно-поступальним переміщенням формувального ролика по криволінійній траєкторії з величиною обтиску не більше 0,3 радіусу формувального ролика за один прохід, на третьому етапі осьовим переміщенням опорно-калибрующего ролика формують остаточний пр�але до проблеми отримання тонкостінних судин є відсутність додаткового підігріву з контролем і регулюванням температури нагріву заготовки при закатці горловини, а також відсутність операцій по утонению циліндричній частині заготовки.

Відомо також пристрій для здійснення способу закачування горловини - патент UA №2002538 C1, B21D 51/24, що містить високочастотний індуктор для нагріву кінця циліндричної заготовки під закатку, деформуючі ролики і цанговий затиск, закріплений на шпинделі верстата.

Основним недоліком описаного пристрою є відсутність додаткового підігріву кінцевій частині заготовки, а також засобів контролю і регулювання температури.

Цей пристрій також прийнято авторами за прототип.

Завданням способу і пристрою, прийнятого авторами за прототипи, було розширення технологічних можливостей виробництва товстостінних балонів.

Загальними ознаками з пропонованим способом і пристроєм є нагрівання кінця циліндричної заготовки у високочастотному індукторі, закріплення її в затиску шпинделя і ротаційний обтиск горловини деформуючими роликами.

На відміну від прототипу в пропонованому заявником способі виготовлення тонкостінних посудин високого тиску використовують заготовку з перехідною ділянкою конічним по зовнішній поверхні та дном змінною товщиною стінки з центѸи за один або кілька переходів з утворенням потовщеної частини під обтиск горловини, тонкостінної циліндричної частини, перехідного ділянки конічного по внутрішній поверхні і з поділом деформації між переходами, з проміжними термічними операціями рекристаллического відпалу і дробоструйними обробками, потім після нагріву в індукторі переміщують її по лотку до затискача, потім завантажують в нього штовхачем і виконують ротаційний обтиск горловини з газополуменевим підігрівом заготовки і з контролем і регулюванням температури нагріву; в пропонованому пристрої для здійснення способу індуктор встановлений на відстані від затиску 1,0÷1,5 довжини заготовки, перед індуктором і за ним розміщений лоток для завантаження і вивантаження заготовок, при цьому газовий пальник закріплена на сайті ролика, а пірометр встановлений над зоною нагріву заготовки і на відстані від осі заготовки з напрямком променя лазерного маркера під прямим кутом до оброблюваної поверхні.

В окремих випадках, тобто в конкретних формах виконання, спосіб характеризується наступними ознаками:

- використовують заготовку з товщиною стінки циліндричної частини, що дорівнює 3÷7 товщинам стінки циліндричної частини готового судини;

- донна частина заготовки виконана з товщиною стінки в зоні сопрда і зростаючою до центровому потовщення до 2,2÷3 товщин;

- перехідна ділянка при ротаційної витяжки виконують конічним по внутрішній поверхні з кутом нахилу утворюючої, рівним 0,05÷0,15 кута нахилу утворюючої його зовнішньої поверхні до обробки заготовки, і довжиною, рівній 4÷6 товщинам стінки циліндричної частини заготовки;

- потовщену циліндричну частину під обтиск горловини формують по товщині стінки на першому переході ротаційної витяжки, і по довжині - на останньому переході;

- поділ деформації при ротаційної витяжки циліндричній частині заготовки виконують таким чином, що на першому переході ротаційної витяжки ступінь деформації становить 30÷40%, а на останньому переході 85÷95% сумарної ступеня деформації;

- газопламенний підігрів здійснюють в інтервалі температур 900-1000°C з контролем і регулюванням температури в цих межах пирометром;

- остаточну термічну обробку виконують з загартуванням і відпусткою.

В окремих випадках, тобто в конкретних формах виконання пристрій характеризується наступними ознаками:

- лоток виконаний на основній частині з кутовим профілем постійного перерізу зі сторонами, рівними 1,3÷1,5 радіусу заготовки, а на кінцевій частині перед зажимом на кожній з двох з� радіусом, рівним 3,5÷4,5 радіусу заготовки, з висотою на початку профілю і довжиною, відповідно рівними 0,15÷0,3 і 2,5÷3,5 радіусу заготовки;

- газовий пальник встановлено з нахилом її осі до поверхні заготовки під кутом 80÷100° в площині поперечного перерізу і під кутом 40÷60° до осі заготовки у вертикальному осьовому перерізі;

- пірометр встановлений на висоті не менше 1 метра від осі заготовки по вертикалі і не менше одного радіусу заготовки по горизонталі в площині поперечного перерізу.

Саме це дозволяє зробити висновок про наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак заявляється технічного рішення і досягається технічним результатом.

Завданням пропонованого винаходу є створення способу виготовлення тонкостінних посудин високого тиску і пристрій для здійснення способу, що дозволяють отримувати тонкостінні високоміцні і легкі судини, що витримують високі внутрішні тиску, з високою стійкістю процесу формоутворення, точністю геометричних розмірів і якістю обробленої поверхні.

Зазначений технічний результат при здійсненні винаходу досягається тим, що у відомому способі, що включає нагрівання� обертання навколо своєї осі і ротаційний обтиск горловини деформуючими роликами, особливість полягає в тому, що використовують заготовку з перехідною ділянкою конічним по зовнішній поверхні та дном змінної товщини з центровим потовщенням, спочатку заготовку піддають ротаційної витяжки циліндричної частини в холодному стані за один або кілька переходів з утворенням потовщеною циліндричної частини під обтиск горловини, тонкостінної циліндричної частини, перехідного ділянки конічного по внутрішній поверхні і з поділом деформації між переходами, з проміжними термічними операціями рекристаллизационного отжига і дробоструйними обробками і потім після нагріву в індукторі переміщують її по лотку до затискача, завантажують у нього штовхачем і виконують ротаційний обтиск горловини з газополуменевим підігрівом заготівлі та з контролем і регулюванням температури нагріву; у відомому пристрої, що включає затиск шпинделя, індуктор і деформуючі ролики, особливість полягає в тому, що індуктор встановлений на відстані від затиску 1,0÷1,5 довжини заготовки, перед індуктором і за ним розміщений лоток для завантаження і вивантаження заготовок, при цьому газовий пальник закріплена на сайті ролика, а пірометр встановлений над зоною нагріву заготовки і на �пособі за рахунок:

- використання заготовки з перехідною ділянкою конічним по зовнішній поверхні - забезпечити плавність входу роликів на ділянці переходу від дна до циліндричного ділянці при ротаційної витяжки цієї ділянки, так як зусилля і деформації при входженні роликів плавно зростають на конічному ділянці від мінімальних величин до заданого значення;

- використання заготовки з дном змінної товщини з центровим потовщенням - 1) виключити з'єднання дна з циліндром (зварні, різьбові та ін), що підвищує надійність, міцність і циклічну міцність судин; 2) забезпечити плавність входження роликів на перехідній ділянці, так змінність товщини стінки від дна до перехідній ділянці дозволяє починати процес ротаційної витяжки від нульових значень зусиль і деформацій, а при постійній товщині стінки дна при вході роликів різко зростають зусилля і деформації, що призводить до відриву дна; 3) забезпечити центрування заготовки відносно осі, так центрове потовщення при фіксації заготовки притиском і в процесі ротаційної витяжки входить у відповідне поглиблення притиску і цим центрує заготовку відносно осі оправки і, відповідно, осі обробки;

- ротаційному потовщеною циліндричної частини під обтиск горловини - забезпечити стійкість процесу подальшого формоутворення горловини, так як товста стінка більш стійка при обтисканні від гофрообразования;

- ротаційної витяжки в холодному стані за один або кілька переходів з утворенням тонкостінної циліндричної частини - забезпечити формоутворення тонкої стінки циліндричної частини посудини з високою стійкістю процесу формозміни, так як метод ротаційної витяжки циліндричних заготовок за один або кілька переходів в холодному стані дозволяє отримувати дуже тонкі заготовки, в той час як ротаційний обтиск горловин обумовлює необхідність нагрівання кінця заготовки і використання більш товстих стінок;

- ротаційної витяжки з утворенням перехідного ділянки конічного по внутрішній поверхні - забезпечити плавний перехід товщини стінки від толстого до дна тонкостінної циліндричної частини, при цьому важливий внутрішній конус, так як процес формоутворення стає стійким і ліквідується можливість відриву дна, при проходженні деформуючих роликів на перехідній ділянці товщина стінки плавно зменшується в напрямку від дна до циліндра, деформації і зусилля також плавно зростають отескими операціями рекристаллизационного отжига і дробоструйними обробками - забезпечити високу ступінь сумарної деформації і досить тонку стінку циліндричної частини, так як рекристалізаційне відпал знімає наклеп металу і внутрішні напруги між переходами, а дробеструйная обробка очищає поверхню заготовок від окалини, створює шорсткість поверхні, ніж ліквідує проворот заготовок у процесі ротаційної витяжки і ротаційного обтиску;

- переміщення заготовки по лотку до затискача і завантаження в нього штовхачем - забезпечити доставку заготовки в цанговий затиск шпинделя через індуктор;

- ротаційного обтиску горловини з газополуменевим підігрівом заготовки і з контролем і з регулюванням температури нагріву - забезпечити стійкість процесу формозміни горловини посудини шляхом підігріву заготовки газовим полум'ям, так як індукційний нагрів не забезпечує сталість температури нагріву зважаючи швидкої втрати тепла нагрітої частини заготовки; контроль і регулювання температури нагріву при газополум'яному нагріванні також забезпечує стійкість процесу ротаційного обтиску, так як при газополум'яному підігріві регулюється газовий потік кисню і пропан відключенням і включенням газового пальника за сигналом пірометра Ћх формах виконання, нова сукупність операцій, а також наявність зв'язків між ними дозволяють в способі за рахунок:

- використання заготовки з товщиною стінки циліндричної частини, що дорівнює 3÷7 товщинам стінки циліндричної частини готового судини, - забезпечити при великій товщині стінки малу довжину заготовки та зекономити метал, тобто забезпечити високий коефіцієнт використання металу; при товщині стінки менше 3 товщин зростає довжина вихідної заготовки і розміри гуртка під виготовлення вихідної циліндричної заготовки з дном і, отже, зростає витрата металу, при товщині понад 7 товщин стінки циліндричної частини готового судини зростає кількість переходів обробки циліндричної частини заготовки під обтиск горловини;

- використання заготовки з товщиною стінки в зоні сполучення дна з конічним перехідною ділянкою, рівній 1,5÷2,1 товщинам стінки циліндричної частини готового судини і зростаючою до центровому потовщення до 2,2÷3 товщин, забезпечити стійкість процесу ротаційної витяжки при впровадженні деформуючих роликів у заготовку і надійну фіксацію заготовки в донної частини, так як при товщинах стінки заготовки в зоні сполучення менше 1,5 товщин циліндричної частіті, при товщинах стінки заготовки в зоні сполучення понад 2,1 товщин циліндричної частини зростає ступінь деформації при проходженні деформуючих роликів зони сполучення, що приводить до гофрообразованию в цій зоні з-за нерівномірності деформації, тобто після проходження роликами цієї зони утворюється поперечні гофри у вигляді хвиль спучування; при збільшенні товщини стінки донної частини до центровому потовщення більше 3,0 товщин стінки циліндричної частини посудини зростає вага, а при збільшенні товщини стінки менше 2,2 товщин стінки погіршуються умови фіксації заготовки на оправці з-за ймовірності викривлення заготовки при її фіксації притиском, так як зусилля притискання заготовки повинно бути не менше осьового зусилля ротаційної витяжки, при малих зусиллях притиску відбувається проворот заготовки на оправці;

- використання заготовки з центровим потовщенням по зовнішній поверхні діаметром, рівним 0,2÷0,3 діаметра заготовки і товщиною, рівній 4÷6 товщинам стінки циліндричної частини посудини, - забезпечити надійність і фіксацію і співвісність заготовки відносно осі оправки, так при діаметрі потовщення менше 0,2 діаметра заготовки і товщині менше 4 товщин стінки циліндричної частини виникнути зап�олщин стінки зростає вага заготовки, що призводить до необхідності додаткової токарної обробки та збільшення трудомісткості виготовлення;

- виконання перехідного ділянки при ротаційної витяжки конічним по внутрішній поверхні з кутом нахилу утворюючої, рівним 0,05÷0,15 кута нахилу утворюючої його зовнішньої поверхні до обробки заготовки, і довжиною, рівній 4÷6 товщинам стінки заготовки, - забезпечити плавність наростання деформацій вздовж перехідного ділянки і ці співвідношення, з точки зору даного ефекту, є оптимальними, так як при куті нахилу твірної менше 0,05 кута нахилу утворюючої його зовнішньої поверхні і довжині більше 6 товщин стінки заготовки зростає обсяг перехідного ділянки і вага судини, при куті нахилу твірної внутрішньої поверхні більше 0,15 кута нахилу твірної зовнішньої поверхні перехідного ділянки і довжині менше 4 товщин стінки заготовки зростає ймовірність відриву донної частини з-за появи поперечних гофр;

- формування потовщеною циліндричної частини під обтиск горловини по товщині стінки на першому переході ротаційної витяжки, і по довжині - на останньому переході - забезпечити стійкість процесу ротаційного обтиску з необхідним запасом металу за тоа обумовлена товстою стінкою і об'ємом металу під обтиск горловини, у той же час необхідно зауважити, що при ротаційному обтиску тонкої стінки товщиною, рівній товщині циліндричної частини останнього переходу ротаційної витяжки, буде потрібно велике число переходів обтиску, при цьому процес обтиску тонкої стінки нестійкий через гофрообразования у вигляді поперечних і поздовжніх хвиль;

- поділу деформації при ротаційної витяжки циліндричній частині заготовки таким чином, що на першому переході ротаційної витяжки ступінь деформації становить 30-40%, а на останньому переході 85-95% сумарної ступеня деформації - забезпечити високу стійкість процесу формоутворення, так як при інших співвідношеннях ступенів деформації спостерігається гофрообразование у вигляді поперечних гофр і випучиваний, так при значеннях до 30% мала деформація стінки на першому проході буде потрібно збільшення ступеня деформації на останньому проході більше 95%, що може призвести до обривів тонкої стінки, а при значеннях більше 40% на першому проході, деформація стінки на останньому проході знижується менше 95%, що не дозволяє забезпечити притиснення тонкої стінки до оправці і виникають поперечні гофри;

- газополум'яного підігріву в інтервалі температур (900-1000)°C з контролем і регулироеталла заготовок і цим забезпечити високу стійкість процесу ротаційного обтиску горловини, при температурі нижче 900°C виникають поздовжні гофри з тріщинами, при температурі вище 1000°C виникають утяжки у вигляді поздовжніх гофр; контролювання і регулювання температури в цих межах пирометром також забезпечує стійкість процесу ротаційного обтиску, так як при відхиленні температури в ту чи іншу сторони від заданого інтервалу сигнал пірометра подається в програмне пристрій верстата на включення і відключення газового пальника;

- виконання остаточної термічної обробки з загартуванням і відпуском - забезпечити високі механічні властивості тонкостінних судин (границя міцності, границя текучості, відносне подовження, ударну в'язкість, циклічну міцність), так як при виготовленні тонкостінних посудин високого тиску використовуються леговані сталі, то використання остаточної термообробки у вигляді гарту і відпустки забезпечують високі міцнісні властивості і безосколкове руйнування при аварійних ситуаціях, що визначалося при випробуваннях до остаточного руйнування внутрішнім тиском.

Нова сукупність операцій, а також наявність зв'язків між ними дозволяють в пристрої за рахунок;

- встановлення індуктора на відстані від зажидогрева потовщеної частини заготовки при ротаційному обтиску і лотка для завантаження і вивантаження заготівлі, дане відстань оптимально з точки зору також переміщення пальника з роликами в процесі обтиску горловини і переміщення заготовки при завантаженні і вивантаженні, зменшення відстані менше 1,0 довжини не дозволить здійснити формоутворення горловини, завантаження і вивантаження заготовок, а збільшення відстані більше 1,5 довжини призводить до збільшення витрат електроенергії і підвищеному витраті газу при нагріванні і підігріві заготовки;

- розміщення перед індуктором і за ним лотка для завантаження і вивантаження заготовок - забезпечити співвісність осі заготовки і обробки, осі індуктора, осі шпинделя і відповідно осі затиску в процесі завантаження заготовки штовхачем в індуктор, в процесі індукційного нагріву, в процесі переміщення нагрітої заготовки затискач шпинделя верстата, в процесі її фіксації і потім при вивантаження обробленої заготовки;

- закріплення газового пальника на сайті ролика - забезпечити постійний контакт газового полум'я з зоною обробки при ротаційному обтиску, так як при всіх переходах ротаційного обтиску газовий потік полум'я завжди спрямований на оброблювану поверхню;

- встановлення пірометра над зоною нагріву заготовки і на відстані від осі заготовки - забезпечити Ђов згоряння газу;

- встановлення пірометра з напрямком променя лазерного маркера під прямим кутом до оброблюваної поверхні - уникнути похибки вимірів, так як відбиття променя лазерного маркера при куті нахилу 90° до оброблюваної поверхні не дає спотворень в показаннях температури.

В окремих випадках, тобто в конкретних формах виконання, нова сукупність операцій, а також наявність зв'язків між ними дозволяють в пристрої за рахунок:

- виконання лотка на основній частині з кутовим прямокутним профілем постійного перерізу зі сторонами, рівними 1,3÷1,5 радіусу заготовки, а на кінцевій частині перед затиском - змінного перерізу - забезпечити надійність транспортування заготовки та її співвісність з віссю обробки, так як кутовий прямокутний профіль постійного перерізу основної частини лотка зі сторонами 1,3÷1,5 радіусу заготовки забезпечує перекриття прямокутним профілем циліндричної поверхні заготовки і це значення оптимально, так як при сторонах профілю менше 1,3 радіусу можливе випадання заготовки з лотка, а при більш 1,5 радіуса зростають розміри і вага лотка і, отже, трудомісткість його виготовлення при виконанні лотка на кінцевій частині змінного перерізу забе�створюються зони вільного підходу роликів до заготівлі;

- виконання профілю кінцевій частині лотка перед зажимом на кожній з двох сторін у вигляді дуги кола з радіусом, рівним 3,5÷4,5 радіусу заготовки, з висотою на початку профілю і довжиною, відповідно рівними 0,15÷0,3 і 2,5÷3,5 радіусу заготовки, - забезпечити вільний прохід деформуючих роликів до заготівлі в процесі ротаційного обтиску, одночасно забезпечити опору циліндричній частині заготовки при її вході в затиск шпинделя верстата при збереженні співвісності заготовки з віссю обробки, при зменшенні і збільшення даних співвідношень погіршуються умови переміщення роликів в зоні обробки, порушується співвісність заготовки з віссю обробки та погіршується вхід заготовки затискач через перекосу осі заготовки, так при величині радіуса профілю менше 3,5 радіусу заготовки зменшується висота профілю в середній частині, що також призводить до перекосу осі заготовки при її вході в затиск, а при величині радіуса профілю понад 4,5 радіусу заготовки ролики не зможуть увійти в зону обробки, при висоті профілю менше 0,15 радіусу заготовки і довжині профілю понад 3,5 радіусу заготовки через перекосу осі заготовка не увійде в затиск, а при висоті профілю більше 0,3 радіусу заготовки і довжині профілю менше 2,5 радіусів загот�ой поверхні заготовки під кутом 80÷100° в площині поперечного перерізу і під кутом 40÷60° до осі заготовки в вертикальній площині осьового перерізу - забезпечити спрямування газового полум'я, тобто форс вогню, в зону обробки заготовки, яка в процесі ротаційного обтиску набуває радіусний профіль з горловиною, тому такий нахил забезпечує повне охоплення газовим полум'ям всієї зони, і відхилення осі пальника в будь-яку сторону від зазначених меж, визначених експерементальні шляхом, призводить до недогреву або перегріву окремих ділянок обробки з втратою стійкості у вигляді поперечних і поздовжніх гофр, тріщин і обривів горловини;

- встановлення пірометра на висоті не менше 1 м від осі заготовки по вертикалі і не менше одного радіусу заготовки по горизонталі в площині поперечного перерізу - забезпечити точність показань пірометра, так як при такому положенні приладу потік гарячих продуктів згоряння газу мине пірометр, ці продукти піднімаються вертикально від зони обробки, стан пірометра оптимально, при зменшенні висоти менше 1 м і наближення пірометра до осі прокатки на відстань менше одного радіуса по горизонталі в площині поперечного перерізу показання пірометра з-за впливу продуктів згоряння спотворюються і можливий вихід його з ладу.

Досліджуючи рівень техніки в ході проведення патент�длагаемое технічне рішення явно не випливає з відомого на сьогодні рівня техніки, отже, можна зробити висновок про відповідність критерію «винахідницький рівень».

Суть винаходу полягає в тому, що в способі виготовлення тонкостінних посудин високого тиску, що включає нагрівання кінця циліндричної заготовки у високочастотному індукторі, закріплення її в затиску шпинделя, приведення в обертання навколо своєї осі і ротаційний обтиск горловини деформуючими роликами, на відміну від прототипу, згідно винаходу використовують заготовку з перехідною ділянкою конічним по зовнішній поверхні та дном змінної товщини з центровим потовщенням, спочатку заготовку піддають ротаційної витяжки циліндричної частини в холодному стані за один або кілька переходів з утворенням потовщеною циліндричної частини під обтиск горловини, тонкостінної циліндричної частини, перехідного ділянки конічного по внутрішній поверхні і з поділом деформації між переходами з проміжними термічними операціями рекристаллизационного отжига і дробоструйними обробками і потім після нагріву в індукторі переміщують її по лотку до затискача, завантажують у нього штовхачем, і виконують ротаційний обтиск горловини з газополуменевим підігрівом заготовк�про кого тиску, включає затиск шпинделя, індуктор і деформуючі ролики, на відміну від прототипу згідно винаходу індуктор встановлений на відстані від затиску 1,0÷1,5 довжини заготовки, перед індуктором і за ним розміщений лоток для завантаження і вивантаження заготовок, при цьому газовий пальник закріплена на сайті ролика, а пірометр встановлений над зоною нагріву заготовки і на відстані від осі заготовки з напрямком променя лазерного маркера під прямим кутом до оброблюваної поверхні.

Сутність винаходу пояснюються кресленнями, де на фіг.1 зображено заготівля у вихідному положенні, перший і останній перехід ротаційної витяжки деформуючими роликами на оправці в холодному стані, на фіг.2 зображений перехідна ділянка від дна до циліндричній частині заготовки у вихідному стані, при першому та останньому переході ротаційної витяжки в збільшеному вигляді, на фіг.3 - процес ротаційного обтиску горловин заготовки з газополуменевим підігрівом - фронтальний вид, на фіг.4 - вид збоку і на фіг.5 вид А на профільний ділянку лотка.

На фіг.1 зображено заготівля 1 зафіксована на оправці 4 притиском 6 у вихідному стані довжиною Lз(мм) з зовнішнім діаметром D0(мм), з товщиною циліндричної частини перехідною ділянкою tдн(мм) зростаючою в напрямку до центровому потовщення, має діаметр dц(мм) і товщину tц(мм), з радіусом внутрішньої поверхні дна Rз(мм); заготівля 2 після першого переходу ротаційної витяжки з товщиною стінки t1(мм) і довжиною циліндричної ділянки L1(мм) з положенням роликів 5 на початку і в кінці процесу ротаційної витяжки; заготівля 3 після останнього переходу ротаційної витяжки з товщиною стінки t2(мм), довжиною циліндричної ділянки L2(мм) і довжиною потовщеної частини L3(мм) і товщиною t1(мм). S мм/хв - напрям подачі, n хв-1- швидкість обертання.

На фіг.2 зображений перехідний ділянку у вихідному стані з радіусом внутрішньої поверхні Rз(мм) конічним по зовнішній поверхні з кутом нахилу α° і довжиною L0(мм) (ділянка АВСД), встановлена на оправці 4 з радіусом Rc(мм) і конічним ділянкою Д Е з кутом нахилу β° довжиною L3(мм). У вихідному стані між заготовкою 1 і оправкою 4 на перехідній ділянці створюється зазор ДД' (мм), так як Rз(мм) більше Rc(мм).

При першому переході ротаційної витяжки в заготівлі 2 ролики 5, переміщаючись по траєкторії I, утоняют стінку з Ѳ заготівлі 3 утоняют стінку таким чином.

На ділянці L1(мм) заготівлю деформують в пружній області. Пластична деформація починається в перерізі ОО1і стінку утоняют з товщини tдн(мм) на довжині L2(мм) до товщини tn(мм) в перерізі АА'ДД' і на довжині L3(мм) з tn(мм) до t2(мм) в перерізі EF і, далі, з тією ж товщиною t2(мм) деформують по циліндричній частині.

На фіг.3 зображена заготівля у вихідному положенні у високочастотному індукторі 2 на лотку 4 у процесі індукційного нагріву потовщеної частини заготовки на довжині Lнагр(мм) і в процесі ротаційного обтиску. Заготовку переміщають штовхачем 10 по лотку 4 затискач шпинделя 3, фіксують в затиску 3. Обтиск здійснюють деформуючими роликами 5 і 6 з газополуменевим підігріванням газовим пальником 7, встановленої з кутом нахилу її до осі заготовки γ° у вертикальній площині осьового перерізу; обтиск виконують з контролем і регулюванням температури пирометром 8, встановленими на висоті Н (мм) від осі прокатки у вертикальній площині осьового перерізу таким чином, що промінь лазерного маркера пірометра складають 90° з оброблюваною поверхнею заготовки. Штовхач 10 здійснює переміщення заготовки 1 затискач 3 і повертається результат� виштовхувач 9 верстата подає заготовку на лоток 4 для подальшої вивантаження. Sвитмм/хв - подача виштовхувача.

На фіг.3 показано відстань L (мм) від індуктора 2 до затиску 3.

На фіг.4 зображений процес ротаційного обтиску роликами 5 і 6 з газополуменевим підігрівом і контролем температури (вид збоку) пирометром 8, встановленим на відстані Н (мм) від осі заготовки по вертикалі і на відстані D (мм) від осі заготовки по горизонталі в площині поперечного перерізу. Газова пальник встановлена в площині поперечного перерізу під кутом θ° до оброблюваної поверхні. Пірометр 8 встановлений таким чином, що промінь лазерного маркера спрямований під прямим кутом до оброблюваної поверхні.

На фіг.5 зображений вигляд А на бічну поверхню лотка 4, де зображено профіль кінцевій частині лотка перед зажимом з радіусом Rл(мм), з висотою В (мм) на початку профілю і довжиною ℓ (мм). Rз(мм) - радіус заготівлі.

На фіг.4 і фіг.5 вигляді А лоток 4 зображено з кутом профілю 90° і сторонами З шириною (мм).

Вищеописаний спосіб і пристрій здійснюється наступним чином.

Ротаційну витяжку циліндричної частини виконують на давильно-раскатном верстаті за програмою, заданою в системі ЧПУ верстата. Заготовку 1 (фіг.1) встановлюють на оправку 4, закріплену в шпиндм) і товщиною tц(мм) входив в центруючий отвір притиску.

Перший перехід ротаційної витяжки виконують з утонением стінки з t0(мм) до t1(мм) і подовженням вихідної циліндричній частині заготовки з L0(мм) до L1(мм) деформуючими роликами 5 в холодному стані зі ступенем деформації ε1%.

Останній перехід ротаційної витяжки виконують з утонением, стінки з t1(мм) до t2(мм) деформуючими роликами 5 в холодному стані зі ступенем деформації ε2%.

Заготовку під обтиск горловини на останньому переході виконують з утонением стінки з t1(мм) до t2(мм) довжиною циліндричної частини L2(мм) і з залишенням потовщеної частини під обтиск горловини товщиною t1(мм) і довжиною L3(мм).

Потім заготовку 1 (фіг.3, 4) встановлюють на лоток 4 і штовхачем 10 задньої бабки верстата (на фіг.3, 4 задня бабка не показана) заготовку переміщають в індуктор 2 таким чином, щоб потовщена частина заготовки під обтиск горловини входила в індуктор на довжину Lнагр(мм). Після цього штовхач 10 повертають у вихідне положення. Після індукційного нагріву заготівлю штовхачем переміщують по лотку 4 затискач 3 шпинделя верстата. Потім фіксують зни обробки. Деформуючі ролики 5 і 6 за програмою ЧПУ верстата здійснює формоутворення горловини з подачею S (мм/хв). Пирометром 8 контролюється температура металу зони обробки. Промінь лазерного маркера пірометра 8 (фіг.3 і 4) направлений під прямим кутом до оброблюваної поверхні. Після закінчення ротаційного обтиску горловини зупиняють обертання шпинделя, вимикають газовий пальник 7, звільняють заготівлю від затиснення і виталкивателем 9 подають заготовку на лоток 4 і видаляють її з зони обробки.

На фіг.4 (вид збоку) показаний пірометр 8 на відстані Н (мм) по вертикалі від осі заготовки на відстані D (мм) від осі по горизонталі.

Вісь пальника 7 спрямована під кутом γ° до оброблюваної поверхні у вертикальній площині осьового перерізу (фіг.3) і під кутом θ° в площині поперечного перерізу (фіг.4).

На фіг.4 також показано положення заготовки 1 з радіусом R3(мм) в процесі її переміщення по лотку 4 (вид збоку) з розмірами: <90° - кут профілю лотка, З (мм) - ширина сторін лотка, В (мм) - висота профілю на початку лотка. На вигляді А фіг.5 показаний профіль лотка 4 на початку (з боку затиску 3), де Rл(мм) - радіус профілю, В - висота профілю на початку, l (мм) - довжина профілю і C (мм) - ширина сторін лотка.�ного обтиску роликами 5 і 6. Профіль лотка дозволяє роликам 5 і 6 вільно пересуватися у зоні обробки в процесі ротаційного обтиску.

Приклад:

З листа товщиною 6,5 мм легованої сталі 12Х3ГНМФБА вирубують гурток і після декількох операцій витяжки і механічної обробки отримують заготовку з дном товщиною циліндричної частини t0=4,6 мм, довжиною циліндричної частини L0=240 мм, загальною довжиною L3=605 мм, діаметром D0=145 мм, радіус внутрішньої поверхні дна Rз=67,7 мм, з центровим потовщенням дна по зовнішній поверхні діаметром dц=32 мм і товщиною tц=6 мм, донна частина заготовки виконана з товщиною стінки tдн, зростаючої від зони сполучення, з конічним перехідною ділянкою до центровому потовщення від 2,15 мм до 2,78 мм. Перехідний ділянку заготівлі виконаний конічним по зовнішній поверхні з кутом α=15° (фіг.2). Заготовку встановлюють на оправку 4, закріплену в шпинделі давильно-раскатного верстата, притискають до оправці притиском 6, мають центрове отвір, у яке входить центрове потовщення заготовки 1.

Потім включають обертання шпинделя і заготовки з частотою обертання n=130 хв-1і з подачею S=100 мм/хв роликами 5 здійснюють перший перехід ротаційної �ської частини збільшується з L0=240 мм до L1=305 мм

Потім, після відпалу рекристаллизационного пом'якшувального і дробоструминної обробки, виконують другий перехід ротаційної витяжки з частотою обертання n=130 хв-1і подачею S=100 мм/хв з товщини t1=3,4 мм до t2=1,15 мм зі ступенем деформації ε3=66,2%. Довжина циліндричної частини зростає з L1=305 мм до L2=380 мм.

На другому останньому переході ротаційної витяжки залишають стовщену частину під обтиск горловини довжиною L3=170 мм і товщиною t1=3,4 мм, яка отримана на першому переході ротаційної витяжки, що відповідає п.6 формули винаходу.

Сумарна ступінь деформації становить

Ступінь деформації на першому переході ротаційної витяжки становить 34,8% сумарної ступеня деформації

, що відповідає формулі винаходу (30÷40%).

Ступінь деформації на другому переході становить 88,3% сумарної ступеня деформації

, що відповідає формулі винаходу (85÷95%).

Після другого переходу отримують перехідна ділянка конічним по внутрішній поверхні з кутом β=1°30' і довжиною, що дорівнює 25 мм. Внутрішню поверхню пероническим ділянкою β=1°30' довжиною 25 мм (твірна D E).

Товщина стінки t2=1,15 мм після другого переходу ротаційної витяжки є товщиною стінки циліндричної частини готового посудини високого тиску.

Таким чином, товщина стінки t0=4,6 мм циліндричній частині заготовки дорівнює 4 товщинам стінки (4,6=4×1,15) готового судини, що відповідає п.2 формули винаходу (t0=3÷7)t2).

Товщина стінки tднв зоні сполучення дна з конічним перехідною ділянкою дорівнює 2,15=1,87×1,15, тобто 1,87 t2, де t2- товщина стінки циліндричної частини, що відповідає п.3 формули винаходу (tдн=(1,5÷2,1)t2).

Товщина стінки tднзростає до центровому потовщення з 2,15 мм до 2,78 мм, 2,78=2,42×1,15, тобто до 2,42 t2, що відповідає п.3 формули винаходу (tднзростає до значення tдн=(2,2÷3,0)t2).

Донна частина заготовки виконана з центровим потовщенням по зовнішній поверхні діаметром dц=32 мм, що складає 0,22×145, де 145 мм - діаметр заготовки і відповідає п.4 формули винаходу ((0,2÷0,3)D0).

Донна частина заготовки виконана з центровим потовщенням товщиною tц=6 мм, що відповідає 6=5,2×1,15,тобто 5,2 t2де 1,15 мм=t2- товщина стінки циліндричної після другого переходу ротаційної витяжки одержують конічним по внутрішній поверхні з кутом нахилу утворюючої, рівним β=1°30', що відповідає 1,5°/15°=0,1 кута α°, кута нахилу утворюючої його зовнішньої поверхні до обробки α° і довжиною L3=25 мм, складовою 25/4,6=5,43 товщини t0- товщини стінки циліндричної частини заготовки, що відповідає п.5 формули винаходу, де, відповідно, β=(0,05÷0,15)α° і L3=(4÷6)t0.

Товщина стінки tn(фіг.2) після другого переходу ротаційної витяжки tn=1,6 мм (перетин a'd'), тобто на довжині L2~20 мм товщина стінки плавно зменшується від tдн=2,15 мм (перетин OO1) до значення tn=1,6 мм.

На ділянці внутрішньої поверхні з кутом β=1°30' довжиною L3=25 мм товщина стінки плавно зменшується з tn=1,6 мм до t2=1,15 мм в перетині EF і далі залишається без змін і на циліндричній частині заготовки після другого останнього переходу ротаційної витяжки і, відповідно, на циліндричній частині готового судини.

Потім, після підрізування торця, витримуючи довжину L=605 мм, виконують ротаційний обтиск горловини (фіг.3, 4) у наступній послідовності.

Спочатку циліндричну заготовку 1 (фіг.3, 4) штовхачем 10 по лотку 4 завантажують у високочастотний індуктор 2 таким чином, щоб потовщена частина заготовки довжиною Lнагрремещают в цанговий затиск 3 шпинделя давильно-раскатного верстата і фіксують її в цанговом затиску.

Індуктор 2 встановлений на відстані від затиску L=650 мм (фіг.3), що відповідає п.10 формули винаходу L=(1÷1,5)Lзаг., де Lзаг=605 мм

Лоток 4 (фіг.3, 4, вид А фіг.5) на основній частині виконаний з кутовим прямокутним профілем постійного перерізу зі сторонами=100 мм, що при радіусі заготовки Rз=D0/2=144,5/2=72,25 мм становить 1,38 Rзі відповідає п.11 формули винаходу (З=(1,3÷1,5)Rз).

Лоток 4 (фіг.5, вид А) на кінцевій частині перед зажимом 3 виконаний змінного перерізу на кожній з двох сторін у вигляді дуги кола Rл=289 мм, що становить 4 Rз=(4×72,25=289 мм) і знаходиться в межах Rл=(3,5÷4,5)Rз, що відповідає п.12 формули винаходу. Висота на початку профілю В=15 мм, що становить 0,21 радіусу заготовки (15=0,21×72,25) і також відповідає п.12, формули винаходу (В=(0,15÷0,3)Rз) винаходу.

Довжина профілю лотка ℓ=220 мм, що становить 3,05 радіусу заготовки (220=3,05×72,25) і відповідає п.12 формули винаходу (ℓ=(2,5÷3,5)Rз).

Потім включають обертання шпинделя, заготовки (n=200 хв-1), подачу роликів 5 і 6 (S=600 мм/хв ролика 5 і S=1500 мм/хв ролика 6) і газовий пальник 7. Вісь газового пальника нахилена до осі прокатки під кутом γ=50° (фіг.3) у вертикаль�чення, що відповідає п.13 формули винаходу (γ=40÷60°, θ=80÷100°). Пірометр встановлений на висоті Н=1,5 м по вертикалі в площині поперечного перерізу і на відстані D=0,86 м ((фіг.4), що відповідає п.14 формули винаходу (Н не менше 1 м, D не менше Rз=0,72 м).

Промінь лазерного маркера спрямований під прямим кутом до оброблюваної поверхні у вертикальній площині осьового перерізу (фіг.3) і в площині поперечного перерізу (фіг.4), що відповідає п.10 формули винаходу (кут нахилу променя лазерного маркера до оброблюваної поверхні дорівнює 90°).

За програмою ЧПУ верстата здійснюється ротаційний обтиск горловини з газополуменевим підігрівом при температурі металу оброблюваної поверхні не менше 900°с з контролем температури в межах 1100°C на початку і 900°C в кінці обтиску пирометром «Кельвін КСДМ».

Потім після рекристаллизационного пом'якшувального відпалу заготовки піддають остаточній механічній обробці горловини і загартуванню з відпусткою для отримання високих механічних властивостей: межі міцності не менше 115 кгс/мм2, межі текучості не менше 95 кгс/мм2відносного видовження δ5не менше 12%, ударної в'язкості при 50°C не менше 25 Дж/см2.

Загартування загото� охолодженням на повітрі.

Відпустку виконують в електропечах при температурі 450°C з часом витримки 3 години при цій температурі.

Виконання запропонованого способу та пристрою для його здійснення згідно з винаходом забезпечує можливість виготовлення тонкостінних високоміцних і легких судин, що витримують високі внутрішні тиску, при високій стійкості процесу формоутворення, точності геометричних розмірів і якості обробленої поверхні.

Винахід може бути використано при виробництві різних посудин високого тиску: газових балонів, лейнеров, вогнегасників тощо

Зазначений позитивний ефект підтверджений випробуваннями дослідних зразків деталей, виготовлених з даного технічного рішення.

В даний час розроблена технічна документація, проведені випробування і сертифікація судин, намічено серійне виробництво продукції за пропонованого способу і пристрою для здійснення способу.

1. Спосіб виготовлення тонкостінних посудин високого тиску, що включає нагрівання кінця циліндричної заготовки у високочастотному індукторі, закріплення її в затиску шпинделя, приведення в обертання навколо своєї осі і ротаційний обжиЕтком по зовнішній поверхні та дном змінної товщини з центровим потовщенням, спочатку заготовку піддають ротаційної витяжки циліндричної частини в холодному стані за кілька переходів з утворенням потовщеною циліндричної частини під обтиск горловини, тонкостінної циліндричної частини, перехідного конічного ділянки по внутрішній поверхні з проміжними термічними операціями рекристаллизационного отжига і дробоструйними обробками і, потім після нагріву заготовки в індукторі її переміщують по лотку до затискача, завантажують у нього штовхачем, а ротаційний обтиск горловини здійснюють з газополуменевим підігрівом заготовки з контролем і регулюванням температури нагріву.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що використовують заготовку з товщиною стінки циліндричної частини, що дорівнює 3÷7 товщинам стінки циліндричної частини готового судини.

3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що виконують донну частину заготовки з товщиною стінки в зоні сполучення дна з конічним перехідною ділянкою, рівній 1,5÷2,1 товщинам стінки циліндричної частини готового судини і зростаючою до центровому потовщення до 2,2÷3 товщин.

4. Спосіб п.1, що відрізняється тим, що виконують донну частину заготовки з центровим потовщенням по зовнішній поверхні діаметром, рівним 0,�соб п.1, відрізняється тим, що перехідна ділянка при ротаційної витяжки виконують конічним по внутрішній поверхні з кутом нахилу утворюючої, рівним 0,05÷0,15 кута нахилу утворюючої його зовнішньої поверхні до обробки заготовки, і довжиною, рівній 4÷6 товщинам стінки циліндричної частини заготовки.

6. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що потовщену циліндричну частину під обтиск горловини формують по товщині стінки на першому переході ротаційної витяжки, і по довжині - на останньому переході.

7. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що на першому переході ротаційну витяжку здійснюють зі ступенем деформації 30÷40%, а на останньому переході - 85÷95% сумарної ступеня деформації.

8. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що газопламенний підігрів здійснюють інтервалі температур 900÷1000°C, з контролем і регулюванням температури в цих межах пирометром.

9. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що здійснюють остаточну термічну обробку з загартуванням і відпусткою.

10. Пристрій для виготовлення тонкостінних посудин високого тиску, що містить затиск шпинделя, індуктор і деформуючі ролики, що відрізняється тим, що індуктор встановлений на відстані від затиску 1,0÷1,5 довжини заготовки, пе� з можливістю забезпечення спрямування газового полум'я в зону обробки в процесі ротаційного обтиску, а над зоною нагріву заготовки і на відстані від осі заготовки встановлений пірометр з напрямком променя лазерного маркера під прямим кутом до оброблюваної поверхні.

11. Пристрій по п.10, відмінне тим, що лоток виконаний на основній частині з кутовим прямокутним профілем постійного перерізу зі сторонами, рівними 1,3÷1,5 радіусу заготовки, а на кінцевій частині перед затиском - змінного перерізу.

12. Пристрій по п.10, відмінне тим, що лоток виконаний з профілем кінцевій частині перед зажимом на кожній з двох сторін у вигляді дуги кола з радіусом, рівним 3,5÷4,5 радіусу заготовки, з висотою на початку профілю і довжиною, відповідно рівними 0,15÷0,3 і 2,5÷3,5 радіусу заготовки.

13. Пристрій по п.10, відмінне тим, що газова пальник встановлено з нахилом її осі до поверхні заготовки під кутом 80÷100° в площині поперечного перерізу і під кутом 40÷60° до осі заготовки в вертикальній площині осьового перерізу.

14. Пристрій по п.10, відмінне тим, що пірометр встановлений на висоті не менше 1 м від осі заготовки по вертикалі і не менше одного радіусу заготовки по горизонталі в площині поперечного перерізу.



 

Схожі патенти:

Металлокомпозитний балон тиску

Винахід відноситься до галузі газової апаратури, а саме до металлокомпозитним балонів високого тиску, які використовуються, зокрема, в портативних кисневих дихальних апаратах альпіністів, рятувальників, в переносних виробах кріогенної і протипожежної техніки, системах газозабезпечення, автомобільної промисловості та інших галузях

Спосіб виготовлення лейнера і льойнер з алюмінієвого сплаву

Винахід відноситься до області обробки металів тиском і може бути використане при виготовленні посудин високого тиску

Спосіб виготовлення тонкостінних оболонок з періодичним профілем великого діаметру

Винахід відноситься до обробки металів тиском і може бути використане при виготовленні тонкостінних оболонок великого діаметра, що мають періодичний профіль

Спосіб виготовлення балона високого тиску і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до галузі газової апаратури і може бути використане у газової, авіаційної, суднобудівної, автомобільної і суміжних з ними галузях промисловості, де застосовуються композитні балони високого тиску (ВД), наповнені стисненим або зрідженим газом

Спосіб виготовлення балона високого тиску

Винахід відноситься до області обробки металів тиском і різанням і може бути використане при виготовленні балонів високого тиску для тривалого зберігання і транспортування стиснутих і зріджених газів, переважно для виготовлення вогнегасників вуглекислотних

Верстат для закачування решт трубних заготовок

Винахід відноситься до обробки металів тиском, зокрема до пристроїв для закачування решт трубних заготовок, і може бути використане в різних галузях машинобудування

Балон високого тиску і спосіб його виготовлення

Винахід відноситься до області обробки металів тиском і різанням і може бути використане при виготовленні балонів високого тиску для тривалого зберігання і транспортування стиснутих і зріджених газів, переважно для виготовлення вогнегасників вуглекислотних

Спосіб виготовлення судин

Винахід відноситься до обробки металів тиском і може бути використане при виготовленні балонів високого тиску з трубних заготовок
Up!