Способ получения полых изделий из трубчатых заготовок
Использование обработка металлов давлением, например, при гидростатической разда че трубчатых заготовок Сущность изобретения для расширение технологических возможностей за счет обеспечения изготовления изделий из малоуглеродистых низколегированных сталей с отношением длины к диаметру в пределах 2,5-3,5 при отношениях толщины стенки к диаметру в пределах 0,04-0,1 а диаметров на концах и в середине в пределах 1,5-2 и улучшения качества за счет устранения гофрообразования В способе получения полых изделий из трубчатых заготовок, включающем механическую раздачу калибрующими поясками оправок концевых участков трубчатых заготовок Со степенью деформации t/K),5-5% с герметизацией полости заготовки , обжим средней части заготовки производят на оправке жидкостью под давлением с приложением в начальный момент обжима к средней части заготовки внешнего радиального подпора, раздачу трубы осуществляют путем ввода сГправок двойной конусности с углами а 15-25° и аг 2-3° на степень деформации на концах тгубы 15-20%. затем оправки извлекают и в полость конической заготовки вводят цилиндрические оправки с калибрующими поясками и углом из - 90°. после чего выполняют обжим жидкостью высокого давления со степенью деформации т/ 15-20% 17 ил (Л С
1754289 А1
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛ И СТИЧ Е С К ИХ
РЕСПУБЛИК (19) (! I) (я )5 В 21 D 41/02
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4741430/27 (22) 27,09.89 (46) 15.08.92. Бюл. N. 30 (71) Институт физики металлов Уральского отделения АН СССР (72) Б. И.,Каменецкий, М,В. Колмогоров, Ю.Ф. Бабин и А,В. Александров (56) Авторское свидетельство СССР
N. 1407622, кл. В 21 D 26/02, 18.08.60, . (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТРУБЧАТЫХ ЗАГОТОВОК (57) Использование: обработка металлов давлением, например, при гидростатйческой раздаче трубчатых заготовок. Сущность изобретения: для расширение технологических возможностей за. счет обеспечения йзготовления изделий из мало- углеродистых низколегированных сталей с отношением длины к диаметру в пределах
2,5 — 3,5 при отношениях толщины стенки к диаметру в пределах 0,04-0,1, а диаметров на концах и в середине в пределах 1,5 — 2 и
Изобретение относится к обработке металлов давлением,.в частности к способам гидростатического прессования полых йзделий из трубчатых заготовок, например рулевых колонок мотоциклов.
На практике рулевые колонки мотоциклов изготавливают из сварных заготовок, В этом случае чашки рулевой колонки, имеющие максимальный по диаметру размер, получают литьем или штамповкой, а среднюю часть детали изготавливают из трубы, Затем производят сварку двух чашек с трубой и последующую механическую обработку сварной заготовки, улучшения качества за счет устранения гофрообразования. В способе получения полых изделий йз трубчатых заготовок, включающем механическую раздачу калибрующими поясками оправок концевых"участков трубчатых заготовок со-стейенью деформации
1/0,5-5% с герметизацией полости заготовки, обжим средней части заготовки производят на onравке жидкостью под давлением с приложением в начальный момент обжима к средней части заготовки внешнего радиального подпора,"раздачу трубы осуществляют путем ввода "сйравок двойной конусности с углами" Q) = 15 — 25 и Q2 =2-3 на степень деформации на концах трубы ф=15-20%, затем оправки извлекают и в полость конической заготовки вводят цилиндрические оправки с калибрующими поясками и углом йз == 900, после чего выполняют обжим жидкостью высокого давления со степенью деформации ф= 15 — 20%
17 ил, (Л
Указанная технология характеризуется высокой трудоемкостью, значительным расхода м металла и н алйчйем ойераций литья 00 (штамповки), сварки и нескольких перехо- Q дов механической обработки. Для снижения трудоемкости изготовлейия деталей подобного типа целесообразно использовать процессы деформации с применением гидростатической сжатой среды.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ получения полых изделий из трубчатых заготовок, согласйо которому после установки трубной заготовки в контейнер выполняют раздачу концевых участков трубы, а затем
1754289
55 обжим средней части на оправках жидкостью высокого давления, при этом изделие выполняют с периметром внутренней продольной части на 0,5 — 2 меньше периметра внутренней поверхности заготовки при отношении толщины стенки к диаметру заготовки S/DO=0,035 — 0,044, В начальный момент обжима к средней части заготовки прикладйвают внешний радиальный механический подпор. Дробление огранки при обработке данным способом благоприятно сказывается на равномерности заполнения всех впадин профиля и снижении величины потребного давления жидкости. Данный способ позволяет изготавливать изделия сложного профиля (шлицевые и шестигранные и т.д.).
Однако известным способом можно изготавливать иэ труб изделия только с небольшим перепадом площади поперечного сечения по длине, так как процесс хорошего заполнения профиля или заданной формы оправки обеспечивается лишь при условии равенства или незначительного отличия (0,5 — 2 ) периметров внутренней поверхности изделия и внутренней поверхности заготовки, поэтому иэделия с большой разницей периметров типа рулевых колонок мотоциклов, для которых характерны значительные перепады диаметров по длине, а отношение длины средней части детали к ее диаметру I/Рр=2,5 — 3,5, не получают требуемой формы после обработки этим способом, Приложение в начальный момент обжима к средней части заготовки внешнего радиального механического подпора оказывает влияние на дробление огранки при деформации и позволяет управлять процессом поперечной устойчивости в определенных пределах, но не предотвращает образования продольных волн, благодаря чему изделия с отношением I/Do в пределах
2,5-3,5 получают изгиб и их форма не соответствует предъявленным геометрическим требованиям.
Цель изобретения — расширение технологических возможностей за счет обеспечения изготовления изделий из малоуглеродистых низколегированных сталей с отношением длины к диаметру в пределах 2,5 — 3,5 при отношениях толщины стенки к диаметру в пределах 0,04-0,1, а диаметров на концах и в середине — в пределах 1,5 — 2 и улучшения качества за счет устранения гофрообразования, Поставленйая цель достигается тем, что
"-огласно способу получения полых изделий из трубчатых заготовок, включающему ме5
40 ханическую раздачу калибрующими поясками оправок концевых участков трубчатых заготовок со степенью радиальной деформации 0,5 — 5% и последующий обжим жидкостью высокого давления на цилиндрических оправках с механическим радиальным подпором средней части заготовки в начальный момент, раздачу трубы осуществляют в два этапа оправками двойной конусности с углами 2 — 3 на заходном участке и углами 15 — 20 — на участке, следующим за ним, на степень радиальной деформации на концах трубы 15-20 на первом этапе и цилиндрическими оправками с калибрующими поясками, перпендикулярными оси оправок, — на втором этапе, а обжим осуществляют со степенью радиальной деформации 15 — 20 to.
На фиг. 1 — 3 показаны трубная заготовка, схема процесса раздачи трубы оправками двойной конусности и форма заготовки после раздачи; на фиг. 4 — операция установки разьемной втулки на коническую заготовку; на фиг. 5 — 7 — схема процесса гидростатического обжима и фор-. ма готового изделия; на фиг. 8-12 — схема процесса гидростатического обжима изделий с относительной длиной участка, подвергаемого обжатию в пределах 1,5 — 2,0, !
/Р4 при диапазоне радиальных деформаций обжима в пределах 10 — 12/, и последовательность формообразования готового изделия (эти операции характерны для известного способа); на фиг. 13-17 — то же, но для изделий с относительной длиной участка, подвергаемого обжатию в пределах 2,5—
3,5 при диапазоне радиальных деформации
15-20 /, с последовательностью операций, характерных для известного способа.
Устройство для осуществления способа (фиг, 1 — 7) состоит из заготовки 1, конических оправок 2 и 3, имеющих участки с разной конусностью а1 и аг, конической заготовки
4 с участками разной конусности и с линейными размерами h> и hz, разьемной втулки 5, цйлиндрических оправок 6 и 7, готового изделия 8, контейнера 9, соединительного штифта 10. Раэьемная втулка 5 снабжена радиальными отверстиями 11 и штифтами 12.
Согласно этому способу в полость трубной заготовки диаметром Ро и длиной Lo вводят раздающие оправки 2 и 3 с углами конусности а1 и а на заданную длину I1 и
1 . После раздачи заготовки оправки извлекают и получают коническую заготовку 4 длиной L>< 4, форма и размера которой показаны на фиг. 3. Коническая заготовка 4
1754289 на концах имеет наружный диаметр О1. а в волны(поз, 14 на фиг. 15) полностью исчезасередине — диаметр О, равный диметру за- ют при облегании материалом заготовки опготовки 1. Степень раздачи равок 6 и 7. Разница длин ср азницэ длин средних линий заготовки 4 (00) и изделия 8 (О 0 ), равная 2п, — 0 100%
5 может быть оценена по формуле
Do
2Л= 2 «3 — 44 для заготовок из малоуглеродистых сталей э!и а1 составляет 15-207o . Углы оправок равны co- - - (j) ответственно; a< = 15-20 ; а2= 2-3, При 10 о углах a> = 15 — 20 раздача трубы осуществ- . где бз — внутренний диаметр конца коничеляется без нарушения ее формы в средней ской заготовки после ввода цйлиндричечасти (изгиб, осадка) в диапазоне степеней cxuix оправок (фиг. 4); радиальной деформации ф = 15-20 j . За- d4 — внутренний диаметр средйей части тем на коническую заготовку 4 надевается "5 готового изделия; разъемная втулка 5, снабженная штифтами а1 — угол конусности раздавщих оnра12 и радиальными отверстиями 11 (фиг, 4 и вок.
7). После этого в полость конической заго- Под действием давления жидкостй в товки 4 вводят оправки 6 и 7с углами аз -- -материале при обжиме возникают растя90 до соприкосновения торцами, осущест- 20 гивающие напряжения ; вызывающие испвляя увеличение наружныхдиаметров кони- . равление и родольных волн, которые ческой заготовки 4 до величины Оз, При " появляются на стадйях малой деформации, этом степень раздачи незначительна, а для : Таким образом, при давлении жидкости обеспечения центрирования оправок 6 и 7 Ръ величина которого составляет при обжииспользуется штифт 10. Оправки 6 и 7 име- 25 ме заготовок из мэлоуглеродистых сталей ют стержни диаметром d4 и калибрующие 400 — 500 МПа, обеспечивается изготовление пояски диаметром бз, углы оправок пря- готовых изделий 8 заданной формы, Затем мые и скруглены радиусом r. Диаметр давлением сбрасывается, изделие 8 с опстержня d4 меньше внутреннего дйаметра равками и втулкой 5 извлекают из контейнетрубной заготовки 1 на 10 — 15%. После отво- 30 ра 9 и оправки 6 и 7 удаляют из полости да оправок 6 и 7 коническая заготовка 4 с детали. разъемной втулкой5устанавливаетсявкон- В результате описанйых операцйй го. тейнер 9 (фиг. 5), . товое изделие на концах имеет чашки диа -
Втулка 5 устанавливается по каналу " метром Оз, в середине — дйаметр О4, хотя контейнера с небольшим зазором (0.2-0,3 35 степень обжатия ф=15-20, причем отсутмм),Подлинеконическойзаготовки4между ствуют в средней части изделия складки и " ее внутренней поверхностью и стержнями волны (фиг. 6), При этом отношение диаметоправок диаметром d4 имеется перемен- ров ОзИ4 обеспечивается в пределах 1,5 — 2, ный зазор д, который меньше в середине и - а отношение длины средней частй изделия возрастает ближе к концам изделия (фиг. 5). 40 к диаметру IÈo=2.5 — 3,5 при относительной
При подъеме давления жидкости начйнает- "" . толщине стенки ЯИ0 в пределах 0,04-0,1, ся обжим средней части конической заго- .. Эксперименты, выполненные при" получе- товки 4 и облегание материалом заготовки нии качественных полых" изделий описанконтура сомкнутых оправок 6 и 7 с образо- ным способом, показали, что необходимо ванием готового изделия 8 длиной Lg< Li. 45 обеспечить зазор д переменным по"длййе, Так как степень обжатия средней части за- Достижение переменного зазора д по длиготовки ф= 10-15, то процесс формоиз-:. не обеспечивается за счет использОвания менения идет по схеме, показанной на фиг. оправок с углом аг, Нричем "чем меньше а (сечение А-А на фиг. 10), и достигается, тем плавнее измейяется зазор йо дл" не I
50 получение круглого сечения готового изде- лучше оформляются прямые углы на перехо15 и лия. Образование продольных волн 14 (фиг. дах от диаметров ф к d4 (фиг, 6). Наилуч е илучшие
) предотвращается благодаря тому, что: результаты в опытах пОйучены при углах длина средней линии 0 0 изделия 8 больше а2 = 2-30. При й2 > 3 не получаются прядлины средней лйнии 00 заготовки 4, гофры мые углы на переходах от диаметров бз к d à расправляются (фиг, 6). Несмотря на то, что 55 приа2 < 2 возникают трудйости с извлечеу концов заготовки 4 зазор дзначителен, ниемоправокиз готового безделия, поперечное гофрообразование (поз. 16 на Угол а1 = 15 — 20 выбирается из нефиг. 17) подавляется из-за близости калиб- скольких взаимодополн Ющи рующих поясков оправбк, а продольные условий: -я х друг "друга
1754289 из условия раздачи концов заготовки из малоуглеродистой стали на диаметр бз (фиг.
6) со степенью радиальной деформации ф=15-20 без образования трещин и нарушения формы заготовки в средней части (изгиб, осадка); иэ условия создания растягивающих напряжений при облегании материалом заготовки оправок 6 и 7 (фиг. 5) во время деформации; в этом случае продольные волны устраняются; от угла а! при заданном перепаде диаметров бз и d4 зависит величина 2h (см, формулу 1), которая определяет разницу длин средней линии 00 заготовки 4 (фиг. 3) и средней линии изделия 8 0 0 (фиг.
6); так как длина 0 0 больше длины 00 íà 2h, то эта величина определяет значения растягивающих деформаций и качество изделия; углы а1 =15-20 и а =2-3 в совокупности определяют величину удлинения материала при облегании им контура оправок, а следовательно, и окончательную форму готового изделия; так как теоретически очень сложно описать формообразование при наступлении потери устойчивости в начальный момент гидрообжима и в процессе его развития; то сочетание значений углов
G> и а наряду с приведенными факторами оптимизируется экспериментально, Экспериментально лучшие результаты получены при a1 = 15 — 20 .и а =2-3О.
Следовательно, выполнение операций раздачи оправками с двойной конусностью и последующая раздача на цилиндрических оправках в сочетании с обжимом на этих оправках с аэ = 90 обеспечивает получение изделий с !/Do=2,5 3,5, $/0o=0,04 0,1 и
0э/04=1,5-2 заданного качества.
Если изготавливать детали типа рулевой колонки, используя режимы, применяемые в прототипе, то невозможно получить иэделия заданного качества, Ниже описываются особенности деформирования деталей с различными относительными высотами среднего участка и диапазонами обжатий.
На фиг. 8 — 12 показана схема деформации трубной заготовки диаметром D и длиной Lo на оправках 2 и 3 при диапазоне обжатий ф=10-12,ь. B этом случае зазор д небольшой (2-3 мм), а изделия имеют незначитЕльную относительную высоту среднего участка (! /ОЙ=1,5 — 2,0). Разьемная втулка 5 устанавливается в канал контейнера 9 с небольшим зазором (0,2 — 0,3 мм). а ее внутренняя поверхность плотно прилегает к заготовке после раздачи концов. В опытах исг ользовали трубные заготовки с толстостейностью S/D =0,04 — 0,1, Раздача концов трубы составляет 0,5-57,, а оправки
2 и 3 имеют углы, близкие к прямым. После установки заготовки с оправками и втулкой
5 в контейнер 9 и подъема давления процесс
5 деформации осуществляется по следующей схеме, на стадиях малой деформации образуется ромб 13 с округленными углами и максимальным размером Н, который on10 ределяется внутренним диметром втулки 5 (поз, 13 на фиг, 11), до величины давления жидкости Р1; по мере развития деформации размер Н уменьшается, ромб изменяет. Свою форму.
15 его внутренняя поверхность касается поверхности оправки; при дальнейшем повышении давления до величины Р происходит скольжение материала по поверхности оправки, и изделие
20 8 приобретает круглую форму, следовательно, достигается получение детали заданного контура.
На фиг. 13-17 показана схема формоизменения трубной заготовки 1 при относи25 тельной длине деформируемого участка
I Do=2,5 — 3,5 для труб с $ Dp=0,04 — 0,1 в диапазоне обжатий ф =-15 — 20 Д, зазор д =5 — 7 мм.
При гидростатическом обжиме таких изделий, близких по размерам к рулевым колон30 кам мотоциклов, наряду с поперечной потерей устойчивости наблюдается образование продольных волн 14. В этом случае на ранних стадиях деформации при давлении жидкости Р1 круглое сечение заготовки 1
35 преобразуется в треугольное сечение 15 с максимальным размером Н, Затем при по-. вышении давления материал заготовки касается поверхности оправок, но не приобретает круглой формы даже при Pz=1000
40 МПа, В сечении получается округлый треугольник с размером Н1 и жесткими гофрами
16, причем форма сечения по длине среднего участка иэделия различна (у концов она цилиндрическая, а в середине наиболее ис45 кажена). Этот вид дефектов показан на фиг.
15-17, Следовательно, при изготовлении удлиненных изделий с разницей сечений по ди- . аметру в пределах 1,5-2 на концах 0э и в
50 середине детали — 04 выполнение известных приемов осуществления процесса не обеспечивает получения заданной формы.
Пример, В качестве заготовок использовали холоднотянутые трубы из стали 20
55 длиной Lo=180 мм с наружным диаметром
Е4= 45мм и внутреннимдиаметром до=37 мм.
В полость трубной заготовки вводили на гидравлическом прессе оправки с углами конусности а2 =2 и углами перехода к цилин1754289 дрическим пояскам а1 =20 . Оправки имели дом площади поперечного сечения по длине диаметр стержня в наименьшем сеченйи из трубной заготовки за две операции деd>=37 мм и диаметр цилиндрического по-, формирования. яска d)=45 мм, Оправки вводили на глубину По сравнению с известными предлагае11-70 мм и Iz-50 мм. Затем оправки извлека- 5 мый способ обеспечивает: снижение трудоли из полости трубы и получали коническую емкости в 3 — 5 раз; сокращение расхода заготовку с размерами;1 =175 мм; Dj=53 мм; . металла на 25 — 30%; улучшение внешнего
Dz=45 мм. Степень раздачи концевых учаСт- -. вида изделий эа счет ликвидации операции ков трубной заготовки ф= 14%, . . сварки чашек, В дальнейшем на поверхность койиче- 10 Ожидаемый экономический эффект за ской заготовки устанавливали разъемную счет использованйя Способа при годовой втулку и вводили формующие оправки до программе400000шт. по предварительным соприкосновения торцами; осуществляя оценкам составит 250 тыс. руб, в год. увеличение наружных диаметров концов i 03=47 мм, Углы оправок прямые и скруглены 20 0,5 — 5% и последующий обжим жидкостью радиусом г=.1 мм, Затем заготовку с форму- высокого давления на цилиндрических опющими оправками и разъемной втулкой ус- равках с механическим радиальным подпо. танавливали в контейнер с диаметром . poM средней частй заготовки в начальный . канала D=65 мм, который установлен на момент, о т л и.ч а ю" шийся тем, что, с пресс усилием 10000 кН. B контейнере cî- 25 целью расширения технологических возздавали давление жидкости до Р2=400-500 . можностей за счет обеспечения изготовлеМПа и осуществляли обжим конической за- ния изделий из малоуглеродистых готовки на оправках. После этой операциИ низколегированных сталей с отношением получали изделие с размерами: Од=55 мм; длины к диаметру в пределах 2,5-3.5 при Из=47 мм; La=170 мм; d4=31 мм; I=137 мм. 30 отношениях толщины стенки к диаметру в Форма изделия и обозначения размеров по- . пределах 0,04 — О, t, а диметров на концах и в казаны на фиг. 6, После снятия давления середине в пределах 1,5 — 2 и улучшения каиэделие с разъемной втулкой извлекали из чества за счет устранейия гофрообраз ваканала контейнера, оправки удаляли иэ по- ния, раздачу трубы осуществляют в два лости изделия и снимали разъемную втулку, 35 этапа оправками двойной конусности c угпаГотовое иэделие имело цилиндрическую ми 2-3 на заходном участке и углами 15форму и из него за одну операцию механи-. 25 — на участке, следующим за ним, на ческой обработки, связанную с расточкой степень радиальной деформации на концах внутренней поверхности чашек под под- трубы 15-20% на первом этапе и цилиндришипники, получали готовую деталь — руле- 40 ческими оправками с калибрующими nosye колонку мотоцикла "ИЖ-Планета" .. ясками, перпендикулярными оси оправок,— Таким образом, использование предла- .— на втором этапе, а обжим осуществляют со гаемого способа позволяет изготавливать степенью радиальной деформации 15точную заготовку детали с большим перепа- — 20% 1754289 1754289 1754289 1754289 1754289, ЬГ 76 Составитель Б.Каменецкий Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Е.Папп Редактор M,Ïåòðîâà Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2845 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
