способ изготовления точных заготовок фланцев холодной объемной деформацией

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЧНЫХ ЗАГОТОВОК ФЛАНЦЕВ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ, включающий установку кольцевой заготовки в полость матрицы на оправку и деформацию заготовки осадкой с помощью кольцевого пуансона, отличающийся тем, что сначала воздействуют внешним кольцевым пуансоном на периферийную область заготовки, осуществляя осадку в диапазоне степеней обжатия 30 - 40%, затем, сохраняя усилие внешнего пуансона, внутренним кольцевым пуансоном деформируют прилегающую к отверстию зону заготовки при уровне удельных нагрузок 1000 - 1300 МПа, после чего, сохраняя усилие внутреннего пуансона, осуществляют гидропластическую раздачу отверстия в диапазоне степеней деформации 15 - 20%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам холодной объемной штамповки точных заготовок деталей фланцев. Фланцы широко применяются для соединения трубопроводов в энергетических, химических, нефтяных и других установках.

Известен способ холодной штамповки, включающий свободную осадку кольцевой заготовки и выдавливание (контурная осадка) полого стержня с оправкой [1] Устройство для осуществления способа состоит из матрицы, кольцевой заготовки, пуансона и оправки. Этот способ применяется при штамповке коротких деталей типа втулок с фланцами, у которых соотношение основных размеров характеризуется отношением [1]

1 5 (1) где D_ф диаметр фланца готового изделия, м;

D_o внутренний диаметр втулки, м;

Н_к высота исходной кольцевой заготовки, м;

R_ф радиус фланца готового изделия, м.

Сила штамповки Р_к при таком способе формоизменения определяется выражением:

Р_к F_ф ^.Р_ф + R_т, (2) где R_т сила, вызванная сопротивлением трения в кольцевой плоскости, Мн;

Р_ф давление осадки фланца, мПа;

F_ф площадь поверхности фланца, м².

Давление осадки Р_ф определяется выражением:

P_ф= 1,1+ 0,3+ (R_ф-R_п)

(3) где R_п радиус ступицы (отростка) отштампованной детали, м;

h_ф высота фланца (диска) отштампованной детали, м;

коэффициент трения;

_s^* напряжение течения, МПа;

_b- предел прочности, МПа.

Сила, вызванная сопротивлением трения в кольцевой плоскости R_т, определяется выражением:

R_т 2 _b [(R_п + R_o)H_к R_o ^.h_ф] (4) Рассмотрим течение металла при штамповке кольцевой заготовки по этой схеме. При опускании пуансона начинается течение металла в радиальном направлении, которое по мере осадки затрудняется из-за действия контактных сил трения, при этом возрастают напряжения осадки, и часть металла течет к продольном направлении в кольцевой зазор между матрицей и оправкой.

Известен способ финишной гидропластической обработки (ФГПО) отверстий кольцевых заготовок и труб, обеспечивающий холодную пластическую деформацию боковой поверхности отверстия с помощью специального дорна с зубьями (оправки) [2]

Недостаток процесса ФГПО состоит в ограниченности его использования, связанной с относительно малыми (до 10-15%) деформациями поверхности отверстия как в осевом, так и в радиальном направлениях.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является способ холодной объемной штамповки, реализуемый с помощью штампа для изготовления цилиндрических, прямозубых шестерен [3] Известный штамп предназначен для холодной объемной штамповки точных заготовок шестерен со ступицей и зубьями и содержит кольцевой подвижный пуансон, матрицу с зубчатой гравюрой, неподвижный нижний пуансон и выталкиватель. Цилиндрическую заготовку с отверстием устанавливают на неподвижный пуансон и при опускании кольцевого пуансона осуществляют штамповку, при этом образуется ступица и зубья. После удаления изделия из штампа выталкивателем избыток материала штамповки удаляется механической обработкой.

По мере опускания кольцевого пуансона происходит уменьшение высоты заготовки (операция осадка) и начинается радиальное течение металла в матрицу и заполнение ее зубчатой гравюры. В момент касания пластичного металла боковой поверхности матрицы дальнейшее радиальное течение металла прекращается и по мере опускания кольцевого пуансона начинается течение в кольцевой зазор между матрицей и неподвижным пуансоном (прямое выдавливание). При протекании процесса прямого выдавливания часть металла вытекает в зазор между кольцевым пуансоном и матрицей (обратное выдавливание). В момент касания металлом верхнего торца выталкивателя формирование ступицы шестерни заканчивается и некоторая часть металла еще вытекает в зазор между кольцевым пуансоном и матрицей. На этом процесс штамповки прекращается. Отметим, что наружный диаметр кольцевой заготовки примерно равен диаметру выступов зубьев гравюры матрицы, а площадь ступицы и диска шестерни обычно отличаются не более чем в 3-5 раз. Исходя из таких соотношений размеров заготовки и изделия (шестерни), можно оценить степень деформации материала заготовки при операции осадка. Диапазон степеней деформации 20-25% и при этих деформациях на боковой поверхности шестерни не образуются дефекты в виде микротрещин. Так как наружные диаметры ступицы и диска шестерни, как правило, отличаются не более чем в 1,5-2,5 раза, то площадь кольцевого пуансона, осуществляющего деформацию, относительно небольшая. Поэтому даже при удельных нагрузках на инструмент р 2000 МПа, необходимое усилие пресса составит 4000-8000 Кн. Таким образом для штамповки шестерен можно использовать серийное недорогостоящее оборудование.

Однако при указанном способе деформация осуществляется только за счет опускания кольцевого пуансона и уменьшения высоты заготовки, следовательно, степень деформации материала при осадке должна возрасти до 50-70% и возможно появление микротрещин на боковой поверхности диска заготовки фланца. Таким образом, способ не обеспечивает получение заданного качества штамповки.

Так как диаметры дисков фланцев в 2-4 раза больше диаметров отростков, то кольцевой пуансон при осадке должен создавать давление на большой площади, поэтому для деформации по этой схеме потребуется пресс большого усилия 10000-30000 Кн в зависимости от типоразмеров фланца. Следовательно, в таком случае пришлось бы использовать дорогостоящее оборудование.

Процесс прямого выдавливания ступицы, осуществляемый с использованием известного способа, происходит при больших значениях реактивных сил трения, так как металл при течении в кольцевую полость подвержен контактному трению как на поверхности матрицы, так и на поверхности неподвижного пуансона. В результате также возрастает потребное усилие пресса и удельные нагрузки на штамповый инструмент, и, кроме того, неоднородности деформации по сечению могут вызвать образование микротрещин на наружной боковой поверхности отростка.

В процессе заполнения металлом ступицы шестерни часть материала вытекает в зазор между кольцевым пуансоном и матрицей (обратное выдавливание) и этот избыток металла затем удаляется механической обработкой. Следовательно, при использовании этого способа не обеспечивается высокая точность штампованной заготовки.

Задачей изобретения является создание способа холодной объемном штамповки заготовок фланцев из малоуглеродистых сталей, обеспечивающего повышение пластичности металла при формоизменении, снижение удельных нагрузок на инструмент и усилие прессового оборудования при деформации, а также повышение точности штампованной заготовки.

Поставленная цель достигается тем, что после установки кольцевой заготовки в матрицу на оправку воздействуют внешним кольцевым пуансоном на периферийную область заготовки, осуществляя осадку в диапазоне степеней обжатия 30-40% затем, сохраняя усилие внешнего пуансона, внутренним кольцевым пуансоном деформируют прилегающую к отверстию зону заготовки при уровне удельных нагрузок 1000-1300 МПа, после чего, сохраняя усилие этого пуансона, осуществляют гидропластическую раздачу отверстия в диапазоне степеней деформации 15-20%

Сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее важным техническим результатом, на достижение которого направлен предлагаемый способ получения фланцев, является повышение степени точности штампованной заготовки без дефектов в виде микротрещин, снижение удельных нагрузок на инструмент до значений в пределах 1000-1300 МПа и, соответственно, снижение усилий прессового оборудования до значений в пределах 4000-15000 Кн при деформации.

Чтобы исключить образование микротрещин на боковой поверхности диска фланца и наружной поверхности отростка, в предлагаемом способе штамповки обеспечивается высокая пластичность материала при деформации. Известно, что при мягких схемах деформации, в которых течение металла осуществляется в условиях трехосного сжатия, пластичность материала значительно выше. В предлагаемом способе на первом этапе деформации осуществляют осадку периферийной области заготовки внешним кольцевым пуансоном со степенью деформации 30-40% В этом диапазоне осадки малоуглеродистые стали имеют высокую пластичность и на боковой поверхности диска микротрещины не возникают. Затем усилие внешнего кольцевого пуансона сохраняют и внутренним кольцевым пуансоном деформируют прилегающую к отверстию область заготовки. На этом этапе деформации осуществляются операции прямого и обратного выдавливания указанной области заготовки и частичное заполнение отростка фланца.

После окончания этого этапа деформации усилие внутреннего пуансона сохраняют, и, благодаря этому, в объеме заготовки создаются значительные по величине напряжения неравномерного трехосного сжатия, обеспечивающие высокую пластичность металла.

В способе штамповки, взятом за прототип, часть материала при осадке и прямом выдавливании вытекает в зазор между кольцевым пуансоном и матрицей, поэтому значения радиальных напряжений ниже, меньше гидростатическое сжатие объема металла и, следовательно, возможно образование микротрещин.

Не менее важным техническим результатом является повышение точности штампованной заготовки. Способ-прототип не обеспечивает получение точной штампованной заготовки, так как часть металла при деформации вытекает в зазор между кольцевым пуансоном и матрицей и этот излишек металла затем приходится удалять механической обработкой. В предлагаемом же способе штамповки заполнение зазора и образование излишка металла не происходит, следовательно и точность штамповки выше.

Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает снижение удельных нагрузок на инструмент. Этот фактор имеет важное значение как для повышения стойкости инструмента при холодной объемной штамповке, так и для уменьшения потребного усилия прессового оборудования. В известном способе штамповки (прототипе) величина удельных нагрузок на инструмент зависит от степени обжатия заготовки при осадке и степени деформации материала при прямом выдавливании металла в кольцевую полость, формирующую ступицу. Причем обе эти операции осуществляются от одного пуансона до окончания процесса, и, как правило, в конце процесса удельные нагрузки достигают значений q 2000 МПа. Для заготовок фланцев, имеющих большие диаметры диска, площадь, на которую передаются высокие удельные нагрузки, имеет достаточно большую величину, и поэтому для их штамповки требуются прессы больших усилий до 10000-30000 Кн, в зависимости от типоразмеров фланца.

В предлагаемом способе изготовления точных заготовок фланцев операции прямого и обратного выдавливания отростка осуществляют с помощью внутреннего кольцевого пуансона, причем степени деформации материала при этих операциях ниже, чем в прототипе. Так как формирование отростка осуществляют при этих операциях только частично, то удельные нагрузки ниже и не превышают значений g 1000-1300 МПа. Затем деформацию пуансоном прекращают, сохраняя его давление, и осуществляют проталкивание конической оправки через отверстие заготовки с подачей высокого давления смазки в зону деформации операцию гидропластической раздачи в диапазоне степеней деформации 15-20% При выполнении этой операции сохранивший свою пластичность металл заполняет полностью кольцевую полость, формирующую отросток фланца. Усилие привода (выталкивателя) для гидропластической раздачи находится в пределах 500-1500 Кн в зависимости от размеров отростка. Так как величина удельных нагрузок ниже, площадь, на которую воздействует внутренний кольцевой пуансон, меньше, то усилие пресса ниже в 1,5-2 раза, т. е. можно использовать менее дорогое оборудование и инструмент.

На фиг. 1 показана конструкция типового, стандартного фланца и приведены основные обозначения размеров его элементов; на фиг. 2 заготовка под штамповку, горячештампованная заготовка и готовое изделие фланец D_у 50 мм, на давление Р_у 16 кгс/см²; на фиг. 3-5 схемы процесса и устройства для осуществления предлагаемого способа холодной объемной штамповки заготовок типовых фланцев.

Устройство для реализации предлагаемого способа по фиг. 3-5 состоит из внешнего кольцевого пуансона 1, внутреннего кольцевого пуансона 2, матрицы 3, кольцевой заготовки 4, оправки 5, штуцера 6, уплотнения 7, гайки 8 и опоры 9.

В качестве привода устройства предпочтительней использовать пресс двойного действия с выталкивателем. У такого пресса имеются два ползуна с независимыми приводами от гидроцилиндров. Устройство устанавливается и крепится к столу пресса. Матрица 3 скреплена с опорой 9 болтами, опора скреплена со столом пресса. Оправка 5 соединяется с помощью переходных деталей с выталкивателем пресса (на фиг. 3-5 не показано) и может совершать вместе с плунжером выталкивателя пресса возвратно-поступательные движения.

Штуцер 6 с помощью трубы соединяется с гидростанцией низкого давления, снабженной насосом, обратным клапаном и регулировочным клапаном. Регулировочный клапан обеспечивает подачу масла низкого давления в полость матрицы 3, а обратный клапан позволяет сохранить давление в полости матрицы 3. Гидростанция с регулирующей аппаратурой (на фиг. 3-5 не показана) может быть автономной или входить в состав прессовой установки.

Внешний кольцевой пуансон 1 соединяется с внешним ползуном пресса, внутренний кольцевой пуансон 2 с внутренним ползуном пресса. Матрица 3 имеет центральный ступенчатый канал, снабженный уплотнением 7 и гайкой 8, кольцевую ступенчатую полость для установки заготовки 4 и радиальное отверстие для подачи масла в канал матрицы. Внутренний кольцевой пуансон 2 имеет в нижней части коническую полость, обеспечивающую формирование отростка фланца, и центральное отверстие. Внешний кольцевой пуансон 1 перемещается в полости матрицы 3 по ходовой посадке, аналогично пуансон 2 перемещается по ходовой посадке в полости пуансона.

Оправка 5 (см. фиг. 5) по посадке перемещается в нижней части внутреннего ступенчатого канала матрицы и имеет формующую часть 12, снабженную центральным глухим отверстием, радиальными каналами 13 и заглушкой 14. Формующая часть 12 оправки снабжена выступами 15, имеющими диаметры большие, чем хвостовик 16, причем верхний выступ 15 имеет несколько меньший диаметр, чем диаметр нижнего выступа.

Масло по центральному отверстию и радиальным каналам может подаваться в зону между выступами 15 формующей части оправки. В исходной позиции (на фиг. 3-5 не показана) кольцевые пуансоны 1 и 2 выдвинуты из полости матрицы 3 и имеется зазор между верхним торцом матрицы и нижними торцами пуансонов, достаточный для установки кольцевой заготовки 4. Оправка 5 занимает нижнее положение, как показано на фиг. 3.

Способ изготовления заготовок фланцев холодной объемной деформацией (по фиг. 3, 4, 5) осуществляют следующим образом. Кольцевую заготовку 4 устанавливают в матрицу на хвостовик 16 оправки 5 и опускают на холостом ходу пресса оба пуансона 1 и 2 до касания плоскости заготовки 4. Положение деталей устройства в этот момент времени показано на фиг. 3 слева. Затем пуансон 1 перемещают вниз и осуществляют осадку периферийной области заготовки 4 до касания ее боковой поверхности стенки матрицы. После чего усилие пуансона P_к1 сохраняется. Взаимное положение деталей устройства в этот момент показано на фиг. 3 справа. После этой операции заготовка превращается в полуфабрикат 10 на фиг. 3. Осадку заготовки 4 осуществляют в диапазоне степеней обжатия 30-40% в этом диапазоне дефоpмаций малоуглеродистые стали, например сталь 20, имеют высокую пластичность и трещины на боковой поверхности полуфабриката 10 не образуются. Усилие осадки можно определить по формулам (2-4) и экспериментально уточнить по показаниям манометра пресса.

В дальнейшем перемещают в них кольцевой пуансон 2 и при уменьшении высоты, прилегающей к отверстию области заготовки, осуществляют операцию деформации прилегающей к отверстию зоны заготовки. При этом одновременно происходит прямое выдавливание металла в кольцевой зазор между хвостовиком оправки 16 и полостью матрицы 3 и обратное выдавливание металла в кольцевой зазор между хвостовиком оправки 16 и конической полостью пуансона 2. Процесс такого комбинированного выдавливания осуществляется при усилии пуансона 2 P_к2, при этом усилие пуансона 1 P_к1 сохраняется. Усилие пуансона 2 -P_к2 определяют по формуле

P_к2 q ^.F_ф2 (5) где q удельные нагрузки на пуансон (давление) МПа;

F_ф2 площадь поверхности кольцевого внутреннего пуансона, м².

Для повышения стойкости инструмента и снижения усилия пресса величину удельных нагрузок выбирают в диапазоне q1000-1300 МПа. При усилии пуансона 2 P_к2 происходит только частичное заполнение отростка фланца. После окончания второго этапа деформации заготовка имеет форму, показанную на фиг. 4, позиция 11. Так как оба пуансона передают давление на заготовку и имеется радиальное давление со стороны стенок матрицы, то в объеме заготовки создаются сжимающие напряжения, обеспечивающие повышенную пластичность металла.

Затем, сохраняя усилие P_к2, осуществляют гидропластическую раздачу отверстия следующим образом: в полость матрицы от гидростанции подают масло, которое не просачивается, так как хвостовик 16 оправки плотно обжат материалом заготовки. После подачи масла включают выталкиватель пресса и передвигают оправку 5 вверх усилием Р_b на заданную величину. При движении оправки вверх давление в канале матрицы 3 повышается и сжатое масло поступает в кольцевую проточку формующей части оправки 12 по радиальным каналам 13, т.е. в зону между выступами 15. Перемещаясь вверх, оправка 5 осуществляет не только раздачу отверстия заготовки 4, но и перемещение части металла из области заготовки, прилегающей к отверстию. Как показали экспериментальные исследования при осуществлении раздачи отверстия в диапазоне степеней деформации 15-20% практически весь металл, находившийся под пуансоном 2 после второго этапа деформирования, перетекает в коническую полость пуансона 2.

Взаимное положение деталей устройства после окончания третьего этапа деформации показано на фиг. 5. Готовая штамповка 17 имеет плоскую поверхность, прилегающую к отростку, отверстие заданной геометрии и чистоты. Наличие сжатой жидкости (масла) в замкнутых зонах между выступами 15 формующей части оправки 12 повышает стойкость оправки, снижает усилие раздачи и улучшает чистоту отверстия штамповки. Напряжения, необходимые для заполнения металлом полости, формирующей отросток фланца ниже, чем в способе, взятом за прототип, так как мало трение между металлом и подвижной оправкой. После окончания этого заключительного этапа деформации оправку 5 опускают в нижнюю исходную позицию, пуансон 1 поднимают в верхнюю промежуточную позицию (несколько ниже исходной верхней позиции) и после этого перемещают вверх пуансон 2 вместе с готовой заготовкой фланца 17. Заготовка остается в пуансоне 2 и удаляется из верхней полости матрицы 3. После удаления штамповки пуансоны 1 и 2 занимают верхние исходные позиции и цикл деформации повторяется.

Предлагаемый способ обеспечивает повышение точности штампованной заготовки, а также пластичности материала при деформации, снижение удельных нагрузок и повышение стойкости штампового инструмента, снижение усилия прессового оборудования.

По сравнению с применяемыми на практике процессами горячей штамповки фланцев предлагаемый способ позволяет снизить расход металла для изготовления изделия на 30-40% сократить расход энергии при получении изделия в 1,5-42 раза, снизить затраты на оборудование и инструмент на 30-50% сократить трудоемкость механической обработки штамповок для изготовления изделия фланца.