Результат интеллектуальной деятельности: Деформирующий инструмент ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно, к конструкции деформирующего инструмента для ротационной вытяжки осесимметричных стальных оболочек.

Деформирующий инструмент представляет собой комплект деформирующих роликов и оправки, выполненных из легированной стали и термоупрочненных до высокой твердости.

Основное требование, предъявляемое к деформирующему инструменту ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей, являющихся труднодеформируемыми материалами, - это износостойкость, влияющая на точность и качество обрабатываемой поверхности оболочек.

Для получения деформирующего инструмента с высокой износостойкостью необходимо обеспечить высокую твердость рабочей поверхности, выбрать наиболее эффективную смазку, охлаждающую жидкость и конфигурацию профиля инструмента.

Известен узел валков прокатной клети-кварто, а.с. №604597, МПК B21B 1/38, в котором с целью изготовления профилированного проката повышенной точности бочка одного рабочего валка выполнена у краев с гладкими, а у середины с профилирующей поверхностями, причем выступы профилирующей поверхности превышают гладкие.

Известен валок для накатки рифлений, а.с. №438479, МПК B21h 7/14, в котором с целью повышения износостойкости выступов при накатке рифлений в горячем состоянии на плоских заготовках радиус скругления вершин выступов равен 0,5-0,6 их высоты.

Недостатком данных технических решений является использование только наиболее оптимальной геометрии профилей рабочих поверхностей, что не решает проблемы повышения срока службы деформирующего инструмента при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей в холодном состоянии.

Известен износостойкий режущий инструмент - концевые фрезы, резцы для токарной обработки, в котором для повышения срока службы используют упрочненный поверхностный слой из твердых нитридных, карбидных или карбонитридных соединений Ti, Al, N системы TiAlN, получаемый методом напыления осаждением в установке ВПТ-011.

Недостатком данной конструкции инструмента является низкая ударная вязкость и твердость сердцевины при высоких удельных давлениях ротационной вытяжки, что приводит к продавливанию и растрескиванию поверхностного слоя рабочей поверхности деформирующего инструмента.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является конструкция валков (отраслевой сборник научных трудов, «Теория и технология проката», Харьков, 1984 г., Министерство черной металлургии СССР, стр. 89-94, статья «Совершенствование конструкции и технологии изготовления рифленых валков штрипсового стана», рис. 1-4), используемых при горячей прокатке штрипса в линии прокатного стана 300 на заводе «Криворожсталь».

Бандажи валков 3, рис. 1, выполнены из стали 5ХНМ с твердостью сердцевины 35-45 HRC и с упрочненным азотированным поверхностным слоем рабочей поверхности со структурой карбонитридных и нитридных фаз, имеющих высокую твердость 56-58 HRC при глубине упрочненного слоя 0,1-0,4 мм.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции деформирующего инструмента, принятой за прототип, относится низкая твердость сердцевины (35-45 HRC), что вызывает продавливание поверхностного слоя рабочей поверхности деформирующего инструмента при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей в холодном состоянии.

Нанесение смазки на рабочую поверхность валков не предусмотрено.

Задачей технического решения, принятого авторами за прототип, являлось обеспечение высокой стойкости деформирующего инструмента - бандажей рифленых валков при горячей прокатке штрипса в линии прокатного стана.

Общим признаком с предлагаемым способом является наличие на термоупрочненном деформирующем инструменте из легированной стали поверхностного упрочненного слоя рабочей поверхности.

В отличие от прототипа ролики и оправка выполнены из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC, рабочие поверхности роликов выполнены треугольного и (или) трапецеидального профиля, а оправка - цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра, при этом рабочие поверхности роликов и оправки выполнены с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя, на рабочие поверхности нанесено покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.

В частных случаях, то есть в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется следующими признаками:

- ролики треугольного профиля выполнены с передним углом 15-30°, задним углом 10-20° и с радиусом вершины, равным 1-3 толщины оболочки;

- ролики трапецеидального профиля выполнены с плоской вершиной длиной 1-2 толщины оболочки и с задним углом плоской вершины 1-5°, при этом передний и задний углы профиля заданы соответственно равными 15-30° и 10-20°, а радиус вершин профиля в пределах 1-3 толщины оболочки;

- концевой участок оправки, входящий в основание шпинделя, выполнен диаметром не менее 0,4 диаметра ее рабочей поверхности, а концевой участок, контактирующий с прижимом, выполнен диаметром менее диаметра рабочей поверхности на 2-4 толщины стенки оболочки;

- диаметр упорного фланца больше диаметра рабочей поверхности оправки на 7-9 толщин стенки оболочки;

- припуск на восстановление изношенного поверхностного слоя задают в пределах 7-10% расчетного диаметра рабочих поверхностей;

- в качестве фторорганической энергомодифицирующей композиции используют раствор перфторполиэфиркислоты, обработанный ультразвуком;

- рабочие поверхности деформирующего инструмента выполнены с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T_i, C_r, Al, S_i и дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявленного технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание деформирующего инструмента ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей, позволяющего повысить срок службы инструмента, геометрическую точность и качество обрабатываемой поверхности оболочек, а также производительность их изготовления.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной конструкции деформирующего инструмента, выполненного в виде деформирующих термоупрочненных роликов и оправки с износостойкой рабочей поверхностью, особенность заключается в том, что ролики и оправка выполнены из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC, рабочие поверхности роликов выполнены треугольного и (или) трапецеидального профиля, а оправка цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра, при этом рабочие поверхности роликов и оправки выполнены с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя, на рабочие поверхности нанесено покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.

Новая совокупность операций, а также наличие связей между ними позволяют, в частности, за счет:

- выполнения роликов и оправки из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC обеспечить высокие эксплуатационные свойства деформирующего инструмента: твердость, ударную вязкость, износостойкость;

- выполнения рабочих поверхностей роликов треугольного и (или) трапецеидального профиля обеспечить высокую устойчивость процесса ротационной вытяжки и получить высокую геометрическую точность и качество обработанной поверхности осесимметричных оболочек;

- выполнения рабочей поверхности оправки цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра обеспечить надежное крепление концевых участков в основании шпинделя давильно-раскатного станка и прижима, а также крепление концевого участка заготовки оболочки между прижимом и оправкой;

- выполнения рабочих поверхностей роликов и оправки с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя повысить срок службы деформирующего инструмента путем удаления изношенного профиля и восстановления первоначального профиля механической обработкой за несколько операций по мере износа рабочей поверхности;

- нанесения на рабочие поверхности покрытия на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции повысить износостойкость роликов и оправки, а также геометрическую точность и качество обрабатываемой поверхности оболочки.

Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения, позволяют, в частности, за счет:

- выполнения роликов треугольного профиля с передним углом 15-30°, задним углом 10-20° и с радиусом вершины, равным 1-3 толщины оболочки, повысить износостойкость роликов и качество обрабатываемой поверхности. При значении переднего угла менее 15° возрастает давление на ролик, что снижает стойкость ролика, при значении переднего угла более 30° перед роликом возрастает наплыв металла, что приводит к налипанию металла на рабочую поверхность ролика, при значении заднего угла менее 10° и более 20° снижается качество обрабатываемой поверхности, возникают утяжки или волнистость поверхности, при значении радиуса вершины профиля менее одной толщины стенки оболочки возникают винтовые углубления на поверхности оболочки, а при значении радиуса более трех толщин оболочки возрастает давление металла на ролик;

- выполнения ролика трапецеидального профиля с плоской вершиной длиной 1-2 толщины оболочки и с задним углом плоской вершины 1-5° повысить качество обрабатываемой поверхности и срок службы роликов. При длине плоской вершины менее 1 толщины оболочки уменьшается площадь поперечного сечения ролика и снижается его износостойкость, при длине более 2 толщин оболочки возрастают радиальные усилия, что ускоряет износ профиля рабочей поверхности, при угле менее 1° и более 5° ухудшается качество обрабатываемой поверхности из-за утяжки металла и рябизны;

- выполнения трапецеидального профиля с передним углом 15-30°, задним углом 10-20° и с радиусом вершин профиля, равным 1-3 толщины оболочки, повысить срок службы роликов;

- выполнения концевого участка оправки, входящего в основание шпинделя, диаметром не менее 0,4 диаметра ее рабочей поверхности обеспечить надежность крепления оправки в основании шпинделя, так как при диаметре менее 0,4 диаметра рабочей поверхности возникает знакопеременный изгиб участка оправки с разрушением от воздействия радиальных усилий;

- выполнения концевого участка оправки, контактирующего с прижимом, диаметром менее диаметра рабочей поверхности на 2-4 толщины стенки оболочки повысить надежность крепления оправки прижимом заготовки, так как при диаметре концевого участка менее 2 толщин стенки возникает смятие технологического упора заготовки, а при диаметре более 4 толщин стенки ослабляется поперечное сечение, что приводит к снижению надежности крепления оправки прижимом, который входит своим выступом в отверстие концевого участка оправки;

- выполнения диаметра фланца больше диаметра рабочей поверхности оправки на 7-9 толщин стенки оболочки обеспечить надежность фиксации оправки в основании шпинделя давильно-раскатного станка. При значении диаметра фланца менее 7 толщин стенки возникает осевое смещение оправки, а при более 9 толщин стенки снижается коэффициент использования металла, так как возникает необходимость механической обработки с большой толщиной съема металла;

- выбора припуска на восстановление изношенного поверхностного слоя деформирующего инструмента в пределах 7-10% расчетного диаметра рабочих поверхностей повысить срок службы роликов и оправки. В результате многоразового восстановления первоначального профиля, при величине припуска менее 7% значения расчетного диаметра срок службы инструмента снижается, а при более 10% - происходит разрушение подшипниковых узлов крепления роликов;

- использования в качестве фторорганической энергомодифицирующей композиции раствора перфторполиэфиркислоты, обработанного ультразвуком, повысить износостойкость роликов и оправки;

- выполнения рабочих поверхностей деформирующего инструмента с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T_i, C_r, Al, S_i и дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции повысить соответственно износостойкость рабочих поверхностей и снизить усилие трения.

Признаки, отличающие предлагаемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и не известны из уровня техники в процессе проведения патентных исследований, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизны».

Исследуя уровень техники в ходе проведения патентного поиска по всем видам сведений, доступных в странах бывшего СССР и зарубежных странах, обнаружено, что предлагаемое техническое решение явным образом не следует из известного на сегодня уровня техники, следовательно, можно сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения заключается в том, что в деформирующем инструменте ротационной вытяжки осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей, выполненном в виде деформирующих термоупрочненных роликов и оправки с износостойкой рабочей поверхностью, в отличие от прототипа, согласно изобретению ролики и оправка выполнены из легированных сталей типа 9ХС, 9Х с твердостью 58-65 HRC, рабочие поверхности роликов выполнены треугольного и (или) трапецеидального профиля, а оправка цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и упорным фланцем большего диаметра, при этом рабочие поверхности роликов и оправки выполнены с припуском на восстановление изношенного поверхностного слоя, на рабочие поверхности нанесено покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен деформирующий инструмент - три ролика 2 и одна оправка 3 в процессе ротационной вытяжки осесимметричной оболочки 1, t₀ (мм) - толщина заготовки оболочки, t_об (мм) - толщина оболочки после обработки, t_yп (мм) - толщина технологического упора оболочки, D_oп (мм) - диаметр рабочей поверхности оправки, D_к (мм) и D_к' (мм) - диаметры концевых участков оправки, D_ф (мм) - диаметр фланца оправки.

Ролики 2 на фиг. 1 показаны условно совмещенными в одной осевой плоскости. Оправка 3 входит в основание шпинделя 5 концевым участком с диаметром D_к' (мм) и прижата фланцем диаметром D_ф (мм) к основанию прижимным кольцом 6.

На другом концевом участке диметром D_к (мм) заготовка оболочки 1 зафиксирована на нем прижимом 4 по торцу и технологическому упору заготовки толщиной t_уп (мм).

F (мм/мин) - осевая подача роликов.

S (мин^-1) - скорость вращения.

На фиг. 2 изображен процесс ротационной вытяжки заготовки оболочки 1 роликами 2 на оправке 3 с геометрическими параметрами профиля: R (мм) - радиус вершины профиля, α° - передний угол, β° - задний угол, t₀ (мм) - толщина заготовки оболочки 1, t_об (мм) - толщина оболочки.

На фиг. 3 изображен процесс ротационной вытяжки заготовки оболочки 1 роликами 2 с трапецеидальным профилем на оправке 3, α° - передний угол, l (мм) - длина плоской вершины, γ° - задний угол плоской вершины, R (мм) - радиусы вершин профиля, t₀ (мм) - толщина заготовки оболочки, t_об (мм) - толщина оболочки.

Деформирующий инструмент изготавливают следующим образом.

Заготовки роликов из легированной стали 9ХС или 9Х ГОСТ 5950-2000 подвергают предварительной механической обработке с припуском на восстановление изношенного слоя 7-10% расчетного диаметра, термоупрочнению и отпуску до твердости 58-65 HRC, и окончательной механической обработке с получением треугольного профиля (фиг. 2) с размерами: α° - передний угол, β° - задний угол, R (мм) - радиус вершины или трапецеидального профиля (фиг. 3) с размерами: α° - передний угол, β° - задний угол, l (мм) - длина плоской вершины, γ° - задний угол плоской вершины, R (мм) - радиусы вершин.

После механической обработки получают чистоту поверхности профиля рабочей поверхности роликов Ra 0,32.

Затем на рабочую поверхность роликов наносится покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1-2% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113, обработанного ультразвуком, частота ультразвуковых колебаний составляет 18-25 кГц.

Заготовку оправки из легированной стали типа 9ХС или 9Х ГОСТ 5950-2000 подвергают предварительной токарной обработке с припуском на восстановление изношенного слоя 7-10% расчетного диаметра рабочей поверхности, закалке и отпуску до твердости 58-65 HRC и окончательной механической обработке с чистотой рабочей поверхности Ra 0,4. Оправку получают цилиндрической формы с концевыми участками меньшего диаметра и фланцем большего диаметра.

Затем на рабочую поверхность оправки наносится покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1-2% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113, обработанного ультразвуком, частота ультразвуковых колебаний составляет 18-25 кГц.

Как вариант, рабочие поверхности деформирующего инструмента - роликов и оправки - выполнены с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T_i, C_r, Al, S_i на установке типа ВПТ-011 и дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1-2% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 в хладоне 113, обработанного ультразвуком, частота ультразвуковых колебаний составляет 18-25 кГц.

Пример

Заготовки роликов и оправки из сталей 9ХС или 9Х ГОСТ 5950-2000 подвергают предварительной механической обработке с получением диаметральных размеров с припуском на восстановление изношенной рабочей поверхности 7-10% расчетного диаметра рабочих поверхностей.

При расчетном диаметре рабочей поверхности роликов D_p=400 мм, оправки D_оп=400 мм (фиг. 1, 2, 3) припуск задают равным Δ=28-40 мм, что позволяет восстановить первоначальный профиль рабочей поверхности роликов и оправки механической обработкой - токарной, шлифовальной и полировальной - за несколько операций по мере износа инструмента, что повышает срок службы роликов и оправки.

При величине припуска Δ=28-40 мм (фиг. 1, 2, 3) количество циклов восстановлений деформирующего инструмента составляет 14-20 с учетом глубины одноразового снимаемого изношенного слоя 2 мм.

Затем ролики и оправку подвергают закалке и отпуску до 58-65 HRC и окончательной механической обработке - токарной, шлифовальной и полировальной.

Получают ролики треугольного профиля (фиг. 2) с размерами:

- передний угол α=20-30°,

- задний угол β=10-20°,

- диаметр ролика D_к=400 мм,

- радиус вершины R=6 мм при t_об=2,5 мм

R=2,4×t_об (R=(1-3)t_об по формуле изобретения).

Ролики трапецеидального профиля (фиг. 3) получают с размерами:

- передний угол α=20-30°,

- задний угол β=10-20°,

- диаметр ролика D_p=400 мм,

- радиус вершин R=5 мм при t_об=2,5 мм

R=2×t_об (R=(1-3)t_об по формуле изобретения),

- длина плоской вершины 1=3 мм при t_об=2,5 мм

l=1,2×t_об (1=(1-2)t_об по формуле изобретения),

- задний угол плоской вершины γ=1-5°.

Чистота рабочих поверхностей роликов треугольного и трапецеидального профилей Ra 0,32.

Оправку (фиг. 1) получают с размерами:

D_оп=400 мм, D_к=3 86 мм,

D_к'=180 мм, t_уп=7 мм, при t_об=2,5 мм,

t_уп=2,8×2,5=7 мм, что соответствует формуле изобретения (t_уп=(2-4)t_об),

В_ф=400+8×2,5=420 мм, что соответствует формуле изобретения

(D_ф=D_оп+(7-9)t_об).

Чистота рабочей поверхности оправки Ra 0,4.

Затем на рабочую поверхность оправки наносится покрытие на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 ТУ 2154-003-26008884-2015 в хладоне 113 ГОСТ 23844-79 или «Х13КННХ» ТУ 2229-001-26008884-2015, обработанного ультразвуком, при частоте ультразвуковых колебаний 18-25 кГц.

Как вариант, рабочие поверхности деформирующего инструмента - роликов и оправки, выполнены с износостойким покрытием на основе нитридных или карбонитридных соединений T_i, C_r, Al, Si на установке типа ВПТ-011 и затем с дополнительным покрытием на основе фторорганической энергомодифицирующей композиции в виде 1% раствора перфторполиэфиркислоты 6МФК-180 ТУ 2154-003-26008884-2015 в хладоне 113 ГОСТ 23844-79 или «Х13КННХ» ТУ 2229-001-26008884-2015, обработанного ультразвуком в установке «Кристалл» УП 0-0,063/44 с частотой ультразвуковых колебаний 18-25 кГц.

Изобретение может быть использовано при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей: соответственно, из стали 35 ГОСТ 1050-2013, стали 12Х3ГНМФБА ТУ АДИ 492-2013 и т.п.

Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями деформирующего инструмента - роликов и оправки.

Использование деформирующего инструмента при ротационной вытяжке осесимметричных оболочек из высокоуглеродистых и легированных сталей в соответствии с изобретением позволяет повысить его срок службы, точность геометрических размеров и качество обрабатываемой поверхности, а также повысить производительность процесса ротационной вытяжки.