Способ изготовления раскатных колец с регулярной микроструктурой

Изобретение относится к способам раскатки заготовки в виде кольца. Раскатку заготовки осуществляют роликовыми инструментами. Вначале роликовым инструментом формируют регулярный микрорельеф поверхности за счет микрорельефа на его рабочей поверхности, а затем выглаживают поверхность микрорельефа его вдавливанием в поверхностный слой материала роликовым инструментом с гладкой рабочей поверхностью. В результате повышаются эксплуатационные характеристики раскатного кольца. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам раскатки предварительно нагретой заготовки в виде кольца с мелкозернистой структурой, и может быть использовано при производстве профильных кольцевых заготовок, в частности в авиадвигателестроении.

Известен способ раскатки кольцевых заготовок (а.с. СССР №373997, МПК B21H 1/06, опубл. 30.07.85 г.), включающий деформирование исходной заготовки вращающимися и перемещающимися в радиальном направлении наружным и внутренним раскатными валками с профилированными рабочими поверхностями, соответствующими наружной и внутренней поверхностям готового изделия, причем наружная и внутренняя поверхности заготовки имеют профили, соответствующие профилированным рабочим поверхностям соответственно внутреннего и наружного валков. При использовании такой заготовки раскатка осуществляется не путем обжима всего поперечного сечения заготовки, а изгибом ее осевого сечения в зоне с наименьшей толщиной сечения.

Недостатком способа является его неприменимость к высоколегированным труднодеформируемым металлам и сплавам.

Известен также способ изготовления колец, при котором полую заготовку раскатывают между нажимным и опорным радиальными валками при радиальном перемещении торцевых валков от центра заготовки к ее наружной поверхности, причем это перемещение осуществляют прерывисто, а перед каждым перемещением торцевые валки разводят. В результате такой обработки исключается возможность возникновения эллипсности прокатываемого кольца и таким образом повышается качество кольца (а.с. СССР №1214296, МПК B21H 1/06, опубл. 28.02.86 г.).

Недостатком способа является сложность процесса обработки и невозможность его использования для жаропрочных труднодеформируемых сплавов.

Известен способ изготовления кольцевых заготовок из стареющих жаропрочных материалов (а.с. СССР №1054990, МПК B21H 1/00, опубл. 20.02.1995 г.), при котором заготовку нагревают до температуры гомогенного состояния, затем охлаждают со скоростью 1-3 град/мин до температуры на 40-100°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, а раскатку производят в условиях, близких к изотермическим. Указанный способ позволяет повысить деформируемость стареющих сплавов при раскатке кольцевых заготовок за счет расширения температурного интервала, повышенной пластичности, а также за счет обеспечения деформации в условиях, близких к изотермическим.

Недостатком способа является низкая производительность и сложность техпроцесса в связи с невозможностью обеспечения высоких степеней деформации за один технологический переход.

Наиболее близким к предложенному является способ изготовления кольцевых деталей, при котором заготовку в виде кольца из материала с мелкозернистой структурой подвергают горячей деформации раскаткой путем обжатия торцевых и поверхностей вращения роликовым инструментом, причем внутренняя поверхность вращения обжимается роликом, ширина которого не превышает ширину заготовки, а наружная и торцевые поверхности - по меньшей мере двумя подвижными роликами, образующими с вышеуказанным роликом калибр, уменьшающийся в соответствии с величиной обжатия заготовки, причем горячую деформацию производят инструментом, нагретым на 50-200°C ниже, чем заготовка (заявка РФ №99106214, МПК B21H 1/00, опубл. 20.01.2001 г.).

Недостатком ближайшего аналога является низкая производительность и качество обработки по причине низких скоростей.

Задачей изобретения является повышение качества раскатываемых изделий и производительности обработки за счет интенсивного измельчения структуры материала заготовки.

Техническим результатом является повышение эксплуатационных характеристик изделий, заготовкой для которых является раскатное кольцо.

Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления металлических колец из заготовок с регулярной структурой материала поверхностного слоя, включающем раскатку заготовки в виде кольца, согласно изобретению раскатку заготовки проводят роликовыми инструментами, осуществляя вначале формирование регулярного микрорельефа поверхности за счет регулярного микрорельефа на рабочей поверхности роликового инструмента, а затем выглаживают поверхность микрорельефа его вдавливанием в поверхностный слой материала роликовым инструментом с гладкой рабочей поверхностью.

Кроме того, согласно изобретению рисунок микрорельефа может быть выполнен в виде сот с размером описанной окружности, кратной величине окружности, описанной вокруг средней величины зерна исходного материала заготовки.

Кроме того, согласно изобретению раскатку заготовки могут проводить в регулируемых термомеханических условиях созданием в материале заготовки объемно-напряженного состояния, приводящего к интенсивному измельчению структуры материала, причем внутреннюю поверхность вращения заготовки обжимают роликом, ширина которого не превышает ширину заготовки, а наружную и боковую поверхности - оправкой, образующей с вышеуказанным роликом калибр, уменьшающийся в соответствии с величиной обжатия заготовки.

Кроме того, согласно изобретению раскатку проводят при нагреве заготовки в виде кольца и ее горячее деформирование - раскаткой путем обжатия роликовым инструментом, нагретым до температуры на 50-200°C ниже температуры заготовки.

Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена форма получаемого раскатного кольца с диаметрами Д_рас готового раскатного кольца и Д_заг предварительной заготовки перед раскаткой, имеющих отношение Д_рас/Д_заг≤1,5-2. На фиг. 2 изображена возможная форма раскатного кольца, получаемая при совместном действии раскатных роликов, образующих замкнутую полость. На фиг. 3 изображена возможная форма раскатного кольца в случае, когда формообразующие ролики имеют профиль, повторяющий общий контур детали.

Способ осуществляется следующим образом. Исходную кольцевую заготовку с мелкозернистой не упорядоченной структурой устанавливают между оправкой и деформирующим роликом, имеющим регулярный микрорельеф, выполненный в виде сот. Также имеется деформирующий "выглаживающий ролик", расположенный сразу же после деформирующего ролика с регулярным микрорельефом на поверхности контакта с заготовкой в направлении вращения заготовки при раскатке, поверхность контакта которого упрочнена с помощью имеющегося на нем цементированного слоя, при этом данный ролик не имеет регулярного микрорельефа, выполненного в виде сот. При вращении заготовка поддерживается упорами, которые, в свою очередь, также выполняют роль выглаживающего ролика. Внутренняя поверхность вращения заготовки обжимается деформирующим и "выглаживающим" роликами, ширина которых не превышает ширину заготовки, а наружная и боковые поверхности - оправкой, имеющей регулярный микрорельеф, выполненный в виде сот, образующей с вышеуказанным роликом-инструментом калибр, уменьшающийся в соответствии с величиной обжатия заготовки. Данный способ раскатки применим для раскатки относительно небольших диаметров колец простой конфигурации, например для Д_рас/Д_заг≤1,5-2 (фиг. 1), а для больших раскатываемых размеров при Д_рас/Д_заг>2, где Д_рас - диаметр раскатанной заготовки, Д_заг - диаметр раскатываемой заготовки (предзаготовки), необходимо обеспечить правильность формы раскатываемого кольца дополнительными приемами, охлаждая инструмент (создавая градиент температуры), в частности осуществляя раскатку роликовыми инструментами, форма которых при их совместном действии образует замкнутую полость (фиг. 2), которая ограничивает течение материала заготовки со всех сторон в связке с выступами и углублениями на роликах, повторяющих контур заготовки профильной формы (фиг. 3).

Пример конкретной реализации способа

Осуществление раскатки заготовки, имеющей ступенчатый профиль с наружными диаметрами 250; 245; 225 мм, с внутренними диаметрами 232; 211; 180 мм, шириной 50 мм, материал заготовки - Сталь 20.

Для этого берут трубную заготовку по ГОСТ 8732-78 с наружным диаметром 219 мм, толщиной стенки 25 мм, шириной 43 мм. Заготовку устанавливают между профильными деформирующим и выглаживающим роликами и оправкой, имеющими регулярный микрорельеф. Валками прижимают заготовку к оправке первоначально усилием 5-10 т. После прохождения валками половины расстояния до окончания процесса раскатки постепенно увеличивают усилие до 45 т.

Под действием усилия заготовка раскатывается по диаметру и вкатывается между роликами и оправкой, при этом формируется поперечное сечение заготовки. После достижения заготовкой заданных форм и размеров ролики отводят, раскатанную заготовку снимают.

При поэтапном охлаждении инструмента (с плавным увеличением разницы температур между инструментом и заготовкой после определенной подачи или увеличения оборотов) от 50 до 250°C обеспечивается вначале "мягкая" схема деформации, при которой поверхностные слои заготовки охлаждаются, и деформация, преимущественно сдвигового характера, передается на более глубокие слои заготовки с последующим ее "ужесточением", когда разница температуры достигает максимальной величины, а толщина заготовки становится минимальной, обеспечивающим формирование субмикрокристаллического состояния равномерно по всему объему. Поэтапное снижение температуры в процессе раскатки обеспечивает поэтапное измельчение структуры материала и тем самым позволяет увеличивать скорость деформации, что, в свою очередь, положительно влияет на создание на поверхности заготовки упрочняющего послойного микрорельефа.

Благодаря указанному приему производится не только интенсивная деформация материала заготовки в локальной области, создающая регулярный микрорельеф, но и создаются условия для его дальнейшей деформационной обработки за счет упорядочивания структуры материала. В конкретном случае деформация не распределяется, а сосредотачивается в определенной зоне в замкнутом объеме. Поэтому в ней существенно быстрее, чем при любой деформации, достигается необходимая для рекристаллизации плотность дислокации. Следовательно, именно в этом объеме заготовки достигаются требуемые структурные изменения - деформации участка благодаря применению комбинации деформирующих роликов, включая деформацию с определенным градиентом температуры, а также возможности варьирования геометрическими размерами участка, величиной и направлением преимущественного развития деформации, применение профильных роликов, имеющих выступы и углубления в своей форме.

Итак, в результате получения раскатного кольца описываемым способом происходит повышение качества изделий и производительности обработки за счет интенсивного измельчения структуры материала заготовки. При этом повышаются эксплуатационные характеристики изделий, получаемых из раскатных колец, обработанных предложенным способом.

1. Способ изготовления металлических колец из заготовок с регулярной структурой материала поверхностного слоя, включающий раскатку заготовки в виде кольца, отличающийся тем, что раскатку заготовки проводят роликовыми инструментами, при этом вначале осуществляют формирование регулярного микрорельефа поверхности посредством роликового инструмента с регулярным микрорельефом на рабочей поверхности, а затем выглаживают поверхность микрорельефа его вдавливанием в поверхностный слой материала роликовым инструментом с гладкой рабочей поверхностью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рисунок микрорельефа выполняют в виде сот с размером описанной окружности, кратной величине окружности, описанной вокруг средней величины зерна исходного материала заготовки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раскатку заготовки проводят в регулируемых термомеханических условиях созданием в материале заготовки объемно-напряженного состояния, приводящего к интенсивному измельчению структуры материала, при этом используют оправку, а роликовые инструменты выполняют с роликом, ширина которого не превышает ширину заготовки, причем внутреннюю поверхность вращения заготовки обжимают роликом, а наружную и боковую поверхности - оправкой, образующей с роликом калибр, уменьшающийся в соответствии с величиной обжатия заготовки.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что раскатку заготовки проводят при нагреве заготовки в виде кольца и ее горячее деформирование - раскаткой путем обжатия роликовым инструментом, нагретым до температуры на 50-200°С ниже температуры заготовки.