способ изготовления поковок в виде полусферы с горловиной

Формула изобретения

Способ изготовления поковок в виде полусфер с горловиной, включающий получение листовой заготовки в виде плоского фланца с отверстием и дальнейшее ее формообразование посредством пластического деформирования за несколько переходов с образованием на внутренней поверхности поковки кольцевого выступа в зоне сочленения цилиндрической горловины и полусферы, отличающийся тем, что перед формообразованием поковки получают полуфабрикат в виде плоского фланца с кольцевым выступом в зоне его отверстия путем осадки листовой заготовки при температуре 1150-1200°С в двухсекционном штампе, при этом высота получаемого выступа составляет 0,15-0,20 от толщины фланца, а формообразование поковки осуществляют путем вытяжки с последующей отбортовкой полуфабриката при температуре 950-1000°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке металлов давлением, и может быть использовано в промышленности для получения крупногабаритных корпусов шаровых кранов, применяемых в системах нефте- и газоснабжения.

Из уровня техники известен способ изготовления поковок в виде полусферы с горловиной из стальных листов, включающий ковку из слитка комплектной поковки на две полусферы с последующей ее разрезкой на две штучные заготовки. При этом ковка поковки для детали полусферы на D_y 1400 содержит операции протяжки и осадки слитка с удалением прибыльной и донной части слитка, прошивки отверстия, раскатки на оправке с получением утолщенной части в зоне будущей горловины цилиндрической поковки и операции обжима в срединной части поковки с формообразованием полусфер. При этом коэффициент использования металла с учетом удаления прибыльной и донной части слитка, угара металла за два нагрева и отхода в выдру при прошивке и механообработке при удалении припусков равен менее 0,6 (А.Э.Артес и др. "Совершенствование технологических процессов изготовления деталей арматуростроения методами пластического деформирования". Вестник МГТУ "Станкин" № 1(13), с.8-12, 2011 г.).

Недостатком данного способа является то, что при штамповке полукорпусов большого диаметра теряется устойчивость металла во время высадки горловины, что приводит к браку.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ, включающий следующие операции: вырезку из толстого листа S=45, 50, 60, 100 мм соответственно для полукорпусов на D_y=400, D_y=500, D_y=600 и D_y=1000 заготовки в виде плоского фланца, ее горячую вытяжку, обжим с раздачей и высадку горловины. Штамповка полукорпусов на D_y=400, D_y=500, D_y=600 и D_y=1000 осуществляется на мощном гидравлическом прессе двойного действия силой 80/40 МН. При этом коэффициент использования металла менее 0,7 (А.Э.Артес «Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением», статья «Технологические процессы изготовления поковок из трубных заготовок», № 11, с.25-31, 2003 г.).

Недостатком известного способа также является тот факт, что при штамповке полукорпусов большого диаметра во время высадки горловины теряется устойчивость металла.

Техническим результатом, на решение которого направлено заявленное изобретение, является исключение возможности в процессе пластического деформирования заготовки возникновения такого эффекта, как потеря устойчивости металла, посредством его перераспределения из периферийной зоны фланца с одновременным получением конкретных размеров выступа в зоне горловины.

Данный технический результат достигается посредством того, что в способе изготовления поковок в виде полусфер с горловиной, включающем получение листовой заготовки в виде плоского фланца с отверстием и дальнейшее ее формообразование посредством пластического деформирования за несколько переходов с образованием на внутренней поверхности поковки кольцевого выступа в зоне сочленения цилиндрической горловины и полусферы, отличающемся тем, что перед формообразованием поковки получают полуфабрикат в виде плоского фланца с кольцевым выступом в зоне его отверстия посредством осадки листовой заготовки при температуре 1150-1200° в двухсекционном штампе, при этом высота выступа составляет 0,15-0,20 от толщины фланца, а формообразование поковки осуществляют посредством вытяжки с последующей отбортовкой полуфабриката при температуре 950-1000 С°.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг.1 представлена исходная толстолистовая заготовка в виде плоского фланца с наружным отверстием диаметром D₀ и толщиной S₀;

фиг.2 иллюстрирует осадку фланцевой заготовки внутренним пуансоном (секция 1), в котором по торцу имеется кольцевая впадина. В нее затекает металл за счет обратного выдавливания с образованием бурта высотой S ₂;

на фиг.3 представлена схема осадки периферийной зоны фланца наружным пуансоном (секция 2) двухсекционного штампа;

на фиг.4 представлена схема штамповки поковки в виде полусферы с горловиной, где D₁ - диаметр полуфабриката после осадки заготовки в первом штампе;

D ₂ - диаметр сферической части поковки;

D ₃ - внутренний диаметр горловины;

D ₄ - наружный диаметр горловины;

Н - высота поковки;

Р - сила вытяжки с одновременной отбортовкой горловины, развиваемая внутренним ползуном гидропресса;

P₁ - сила удержания фланца полуфабриката от его возможного деформирования в виде гофра.

Предлагаемый технологический процесс включает последовательное выполнение операций вырезки круглых заготовок с отверстием из толстостенного листа, нагрева до температуры 1150-1200 С°, осадки периферийной зоны заготовки в первом штампе с одновременным формообразованием выступа. При этом на 20-25% уменьшается толщина исходной заготовки в периферийной зоне фланца, то есть в зоне последующего у формообразования сферической части поковки. Полуфабрикат/после осадки за два хода ползуна пресса в первом штампе устанавливается во втором специальном штампе и при температуре 950-1000°С подвергается вытяжке и отбортовке за один ход ползуна пресса.

При этом прижим штампа 2 удерживает фланец заготовки на матрице с некоторым зазором, что предотвращает образование гофр во время вытяжки, а пуансон 1 производит вытяжку полусферы в матрице со сферической полостью 3, одновременно своим торцем осуществляет операцию отбортовки горловины и своей конфигурацией в нижней части сохраняет уступ в зоне горловины. Удаление поковки из штампа осуществляется нижним выталкивателем пресса 4.

Деформация сферической части поковки ведется с соотношением

что является допустимой при горячей вытяжке, а деформация при отбортовке с соотношением

что также является допустимой при горячей отбортовке (подтверждено экспериментально для сталей 20, 09ГС и 12Х18Н10Т).

В предложенном техническом решении, благодаря выдавливанию бурта при осадке листовой заготовки, становится возможным путем операции вытяжки с одновременной отбортовкой получить окончательную форму изделия - полусферу с горловиной. При этом горячая штамповка в двух штампах ведется за один нагрев: осадка в два перехода при t=1150-1200° и вытяжка с одновременной отбортовкой при t=950-1000°.

Значение интервалов температур нагретого металла при осадке в первом штампе толстостенной листовой заготовки и при вытяжке с отбортовкой горловины во втором штампе получены экспериментальным путем (см. табл.1 и 2).

Таблица 1
№ эксперимента	Температура осадки	Толщина выступа горловины	Технический результат
1	1230°С	1,22 S0	Укрупнение величин зерен в кристаллической структуре металла и увеличение отхода в окалину
2	1200°С	1,20 S0	Удовлетворительная микроструктура металла
3	1175°С	1,17 S0	Удовлетворительная микроструктура металла
4	1150°С	1,15 S0	Удовлетворительная микроструктура металла
5	1100°С	1,12 S0	Наблюдается рост технологических сил осадки

В первом эксперименте (табл.1) нагрев углеродистой конструкционной стали на 30°С и более от рекомендованной температуры связан с укрупнением величин зерен в кристаллической структуре металла и увеличением образования окалины при нагреве в пламенной печи, что нежелательно. В пятом эксперименте при температуре 1100°С наблюдается рост технологических сил осадки, что также нежелательно.

Таблица 2
№ эксперимента	Температура заготовки	Вероятность получения данной температуры	Стойкость к разрушению	Стабильность процесса (без нарушения сплошности)
1	925°С	+	-	+-
2	950°С	+	+	+
3	975°С	+	+	+
4	1000°С	+	+	+
5	1025°С	-	+	+-

В первом эксперименте (табл.2) при вытяжке с отбортовкой из-за снижения температуры поковки имеется вероятность получения нарушения сплошности металла при наличии больших растягивающих напряжений по нижнему торцу кольцевой заготовки в момент отбортовки, при этом толщина заготовки уменьшается. В случае, когда температура металла после первой штамповки равна 925°С и менее, во избежание брака необходимо проводить повторный нагрев до температуры ~1000°С, что снижает производительность.

В пятом эксперименте из-за интенсивного охлаждения металла во время штамповки заготовки в первом штампе и во время передачи ее во второй штамп вероятность удержания температуры 1025°С мала.

Эксперименты проводились путем моделирования технологического процесса в масштабе габаритов исходной заготовки М=1:10.

Преимущество предлагаемого способа по сравнению с известным заключается в том, что благодаря наличию выступа в зоне сопряжения сферы и горловины и конкретным параметрам способа при осадке отпадает необходимость операции его высадки, что невозможно при использовании листов толщиной, равной толщине стенки в шаровой (сферической) части полукорпуса при штамповке корпусов на D_y=1000 mm, D_y=1200 мм и D_y=1400 мм. Получение необходимой толщины при осадке толстолистовой заготовки и выступа позволяет значительно уменьшить расход металла по сравнению с прототипом применительно к указанным габаритам полукорпусов.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения поковок типа крупногабаритных полусфер с горловиной, например, для изготовления шаровых кранов;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки, известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.