Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно: к изготовлению деталей с осевым отверстием с использованием операций прошивки, в частности предварительной и окончательной двухсторонней прошивки заготовки и последующей механической ее обработки на станке.

Известен способ изготовления полых поковок в форме усеченного конуса с выступом на боковой поверхности со стороны меньшего основания поковки (см., например, а.с. 963662), включающий раскатку, осуществляемую в 2 этапа, когда на 1 этапе профилируют полуфабрикат с выступами на концевых участках, а на 2 этапе формуют конусную поковку раскаткой одного из выступов в средней части заготовки.

Известны способы изготовления деталей, заготовками которым служат ступенчатые патрубки (см., например, а.с. 958026), а также профильные кольца, получаемые на кольцераскатном стане, имеющие элементы, располагаемые по его высоте с различными величинами площадей поперечного сечения. При этом патрубки с различной толщиной стенки у их нижнего и верхнего основания предлагается получать протяжкой на дорне в вырезных бойках, и толщина стенки не должна быть меньше 100 мм по ГОСТ 7062-90 (см., например, а.с. 946763) путем закрытой прошивки в штампе с конусной полостью.

Известна также методика расчета выбора оптимальной формы исходной заготовки (см., например, И.Я.Тарновский и др. «Теория обработки металлов давлением.» 1963 г., рис.171), при которой из чертежа штампа или поковки определяется отношение R_п/R_ц, далее из максимума для данной кривой R_п/R_ц опускается перпендикуляр на ось абсцисс и определяется R₀, из условий постоянства объема (при известном объеме заготовки) определяется высота заготовки, затем, спуская из той же точки перпендикуляр на ось ординат, определяют высоту поковки, после чего определяется высота h_ц в конце первой стадии штамповки. Для этого из точки максимума на кривой R_п/R_ц проводится прямая параллельно оси абсцисс, до пересечения с соответствующей кривой R₀/R_ц правой части диаграммы и из точки пересечения опускается перпендикуляр на ось абсцисс, таким образом, могут быть определены все размеры деформированной заготовки в конечный момент первой стадии штамповки. В данном примере R_п - это радиус поковки, R_ц - радиус прошивня, h_ц - высота непрошитой части поковки под прошивнем (перемычки). Однако в выбранной таким образом заготовке не исключается возможность образования зажимов. При теоретическом исследовании рассматривалась упрощенная модель процесса штамповки осесимметричной поковки и поэтому невозможно учесть все детали этого процесса.

Известно также, что при изготовлении поковок с осевым отверстием основной операцией является прошивка - открытая или закрытая. Для получения толстостенных заготовок применяется открытая прошивка, а тонкостенных - закрытая. В экономическом отношении более предпочтительна открытая прошивка, требующая меньшего усилия и стоимости инструмента. Однако при открытой прошивке происходит искажение формы и размеров поковок, которое тем больше, чем меньше отношение диаметра исходной заготовки к диаметру прошивного пуансона и чем больше отношение высоты исходной заготовки к толщине перемычки, удаляемой при прошивке. Величина допустимого при прошивке искажения формы заготовки определяется возможностями перераспределения металла при раскатке на оправке под молотом или прессом, либо прокатке на кольцераскатном стане. Граница применения открытой прошивки должна определяться исходя из допустимой величины искажения формы заготовки.

Анализ известных источников показал, что в настоящее время имеются две методики расчета формоизменения заготовок при открытой прошивке. Первая из них использует формулу Цшейле, построенную на экспериментальных данных (см., например, Семенов Е.И. Ковка и объемная штамповка. 1972. с.95-96). Она получена при прошивке заготовки цилиндрическим пуансоном, без учета предварительной наметки, контактного трения и радиуса пуансона.

По данной методике наибольший диаметр прошитого кольца (D_max) определяется по формуле:

D_max=1,13{(l,5/H)[V+f(H-h)]-0,5F₀}^0,5

где f=πd²/4 - площадь поперечного сечения пуансона; d - диаметр пуансона; - объем исходной заготовки; D₀ и Н₀ - диаметр и высота исходной заготовки; Н - высота заготовки после прошивки; h - высота выдры; - площадь поперечного сечения исходной заготовки.

Вторая - основана на использовании теоретического решения задачи об открытой прошивке осесимметричных заготовок цилиндрическим пуансоном в интервале значений отношения d/D₀ от 0,2 до 0,5 (см., например, И.Я.Тарновский и др. «Теория обработки металлов давлением.» 1963 г., с.324) со следующими допущениями:

1) 1/3…1/4≤h/Н₀≤1;

2) верхний наружный диаметр заготовки в результате прошивки не изменяется;

3) на поверхности контакта с нижней плитой кольцевой части заготовки с внутренним диаметром, равным диаметру прошивного пуансона, силы трения отсутствуют;

4) трение о боковую поверхность пуансона отсутствует.

Однако, используя указанные методики, невозможно определить степень искажения формы заготовки, так как по ним рассчитываются максимальные и средние размеры заготовок, без относительно, на какой высоте эти размеры находятся. Так что определить распределение объемов металла по высоте затруднительно.

Одним из методов перераспределения объемов металла по высоте поковки является двухсторонняя прошивка с использованием пуансонов различной высоты. Данный процесс используется в промышленности (см., например, данные на пресс, силой 40 МН в комплексе оборудования кольцераскатного стана фирмы «Тиссен»). В настоящее время в технической литературе сведения о поведении металла при реализации данного процесса отсутствуют.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения можно указать средство того же назначения, а именно: способ изготовления ступенчатых полых деталей, включающий прошивку заготовки (см., например, патент РФ №2291025). Однако указанный в данном патенте способ изготовления ступенчатых полых деталей возможен только при массовом производстве ступенчатых полых деталей, например, на роторных линиях или холодно-высадочных автоматах. При этом необходимо иметь 6 штампов, которые очень дорогие по себестоимости. Кроме того, между каждой штамповкой должна производиться термообработка для исключения и уменьшения напряжений, внесенных при штамповке, что в целом увеличивает стоимость обработки. Указанный способ применим также только для материалов, которые могут подвергаться глубокой вытяжке. Таким образом, применение в мелкосерийном производстве данного способа абсолютно нецелесообразно.

Технический результат настоящего изобретения заключается в получении возможности использования более экономичного метода ковки при изготовлении ступенчатых полых деталей.

Указанный технический результат достигают тем, что в способе изготовления ступенчатых полых деталей, включающем операции предварительной и окончательной двухсторонней прошивки заготовки и последующую механическую обработку прошитой заготовки на станке, предварительную прошивку осуществляют посредством прошивня предварительной прошивки, выполненного в форме усеченного конуса, соотношение диаметров которого равно 0,8, а окончательную прошивку - посредством прошивня окончательной прошивки, выполненного с конусностью, составляющей 5°.

При этом размеры заготовки под двухстороннюю прошивку, а именно: диаметр заготовки D₀ и высоту заготовки Н₀ рассчитывают по фигуре чертежа ступенчатой полой детали со сглаженными контурами, которую получают за счет непосредственного преобразования ступенчатой полой детали с размерами, увеличенными на величину, требуемую на механическую обработку, путем сглаживания контуров, и с использованием системы следующих зависимостей:

D_max/d=2,51+0,12X₁+0,07X₂-0,01X₁X₂

D_низ/d=2,14+0,17X₁+0,07Х₂-0,14Х₃-0,04Х₁Х₂+0,04Х₂Х₃+0,05Х₁Х₃-0,02Х₁Х₂Х₃

D_вepx/d=1,51+0,11X₁-0,06X₂+0,1X₃+0,19X₁X₂-0,06X₂X₃-0,09X₁X₃+0,05X₁X₂X₃

H_вepx/d=1,36+0,26X₁+0,19X₂+0,07X₁X₂+0,01X₁X₃

где ; ; ,

D₀ - диаметр заготовки, d - диаметр прошивней, Н₀ - высота заготовки, h₁ - высота прошивня предварительной прошивки, D_max - максимальный диаметр прошитой поковки, D_низ - нижний диаметр прошитой поковки, D_вepx - верхний диаметр прошитой поковки, Н_верх - высота прошитой поковки, причем значения X₁, Х₂ и Х₃ должны находиться в пределах от минус одного до плюс одного.

Благодаря наличию приведенных существенных отличительных признаков обеспечивается возможность изготовления описываемых ступенчатых полых деталей более экономичным и технологичным способом, поскольку уменьшается количество переделов при выполнении кузнечных работ.

На фиг.1 представлен вид прошитой заготовки; на фиг.2 - ступенчатая часть втулки со сглаживающим сплайном.

При заявляемом способе изготовления полой ступенчатой детали с использованием двухсторонней предварительной и окончательной прошивки выбирают инструмент, с помощью которого возможно осуществить необходимую прошивку, далее размеры под двухстороннюю прошивку D₀ и Н₀ рассчитывают по фигуре, которая получается путем сглаживания на чертеже полой ступенчатой детали, размеры которой увеличены на величину размеров, необходимых под механическую обработку на станке, и при этом используют вышеперечисленные зависимости с учетом того, что d - одинаковый диаметр меньшего основания усеченных конусов прошивня предварительной прошивки и прошивня окончательной прошивки, соотношение диаметров усеченного конуса прошивня предварительной прошивки должно быть равно 0,8, а конусность прошивня окончательной прошивки должна составлять 5°. Х₁, Х₂ и Х₃ должны находиться в пределах от -1 до +1.

Реализацию предлагаемого способа можно раскрыть на нижеприведенном примере. Допустим, необходимо получить ступенчатую часть втулки, представленную на фиг.2 (внутренняя заштрихованная втулка).

При этом сначала выбирают подходящий требуемый инструмент для прошивки со значениями d - диаметр прошивней, где это одинаковый диаметр меньшего основания усеченных конусов прошивня предварительной прошивки и прошивня окончательной прошивки, и h₁ - высота прошивня предварительной прошивки, затем на чертеже ступенчатой заготовки, размеры которой включают размеры полой ступенчатой детали, увеличенные на величину, необходимую для механической обработки на станке, проводят сглаживание ее контуров, преобразуя в фигуру-сплайн, замерами определяют требуемые данные для постановки в приведенные выше зависимости, и определяют D₀ и Н₀. Имея эти размеры, осуществляют предварительную и окончательную прошивки с помощью прошивней с вышеуказанными характеристиками, остужают прошитую поковку естественным образом по определенному режиму в зависимости от марки стали, после чего термообрабатывают, охлаждают и ставят на станок для механической обработки, получая при этом ступенчатую полую деталь.

Полученная заготовка представлена на фиг.2, по которой линией проведен сглаживающий сплайн. При этом получили D_max=502 мм, D_низ=428 мм, D_вepx=302 мм, Н_верх=272 мм, d=200 мм, h₁=32 мм. Далее, из системы зависимостей определяют D₀ и Н₀. При полученных данных система зависимостей удовлетворяют X₁=0 и Х₂=0. Тогда D₀=300 мм и Н₀=500 мм.

Проверка полученного решения была произведена на пластилиновых образцах в масштабе 1/10 и получены удовлетворительные результаты. Из примера также видно, что эффективность данного способа и металлоемкость заготовки зависит от размерных соотношений детали.