Устройство для горячей пластической деформации изделий из чугуна

Номер патента: U 10145

Опубликовано: 30.06.2014

Автор: Покровский Артур Игоревич

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЧУГУНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Покровский Артур Игоревич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для горячей пластической деформации изделий из чугуна, включающее прокатную клеть с установленными в ней под углом друг к другу и к оси прокатки приводными прокатными валками с механизмами регулировки межвалкового зазора, загрузочный и приемный лотки с механизмами подпора торцовых поверхностей обрабатываемой заготовки, снабженными приводными центрами, соосными оси прокатки,отличающееся тем, что прокатные валки выполнены в форме усеченных конусов с продольными шлицами на формообразующей поверхности при высоте шлица 0,5-5,0 мм и соотношении высоты шлица к шагу от 2 до 1 у большего основания конуса с уменьшением высоты шлица до нуля на расстоянии 0-5 мм от меньшего основания конуса.(56) 1. А.с. СССР 202851, МПК 21, 1967. 2. Патент РБ 17172, 2013 (прототип). 3. ГОСТ 5639-82. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. 4. ГОСТ 25.507-85. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы испытания на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. Общие требования. 101452014.06.30 Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к обработке металлов давлением, и может быть использована для изготовления изделий типа тел вращения, например валов из чугуна. Наиболее распространенными устройствами для горячей пластической деформации металлов являются разнообразные прокатные станы. Известен стан для поперечно-винтовой прокатки тел вращения, содержащий вращающуюся приводную головку с калиброванными приводными валками и правильно-подающий механизм, который может быть выполнен плавающим в осевом направлении 1. Недостатком аналога является невозможность осуществления горячей пластической деформации изделий из материалов с пониженной пластичностью, в частности чугунов. Достигнутые степени пластической деформации чугуна сопоставимы лишь со значениями, полученными при его обкатке роликами. При дальнейшем повышении степени деформации в большинстве случаев происходят нарушение сплошности поверхности и разрушение заготовки. Другим недостатком аналога является достаточно большой размер зерна металла после его прокатки. Это связано с тем, что формообразование осуществляется преимущественно за счет относительно однородного пластического течения поверхностного слоя заготовки вдоль ее оси под воздействием гладкой поверхности валков. Фронт деформации в этом случае можно представить как совокупность однородных волн, образуемых прокатными валками, сдвигающих слои металла вдоль поверхности заготовки. Отсутствие существенного противодавления при движении пластического потока и обуславливает относительно большой размер зерна, что отрицательно сказывается на многих важных характеристиках готового изделия, в частности на усталостной прочности. Кроме того, недостатком рассматриваемого аналога является сложность обеспечения заданных размеров детали в осевом направлении, что приводит к сверхнормативному расходу металла. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом, является трехвалковый стан поперечно-винтовой прокатки, включающий прокатную клеть, загрузочный и приемный лотки с механизмами подпора торцовых поверхностей заготовки, выполненными в виде силовых гидроцилиндров, на штоках которых установлены приводные центры, соосные оси прокатки 2. Как следует из описания прототипа, в прокатной клети в отдельных корпусах установлены под углом друг к другу и к оси прокатки три рабочих прокатных валка, соединенные с приводами посредством муфт, что обеспечивает продольное перемещение валков при регулировке межвалкового зазора. Наличие торцовых упоров обеспечивает, по сравнению с рассмотренным выше аналогом, формообразование деталей с повышенной точностью заданных размеров. Однако характер пластического течения металла при формообразовании на данном стане не отличается от приведенного выше аналога, поэтому достигнутые значения усталостной прочности изделий, полученные на нем, также остаются невысокими. Прототип, как и аналог, не позволяет получать изделия из материалов с пониженной пластичностью ввиду небольших достижимых степеней деформации и большого процента брака. Необходимо также отметить, что формообразование изделий из чугуна на стане, характеризующемся приложением усилия в трех точках, сопровождается значительной неравномерностью толщины деформированного слоя, достигающей 100 и более. Это приводит к неравномерному распределению механических напряжений по объему материала и дополнительно снижает усталостную прочность изделий. Задачей заявляемой полезной модели является повышение усталостной прочности и выхода годных изделий из чугуна. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для горячей пластической деформации изделий из чугуна, включающем прокатную клеть с установленными в ней под углом друг к другу и к оси прокатки приводными прокатными валками с механизмами ре 2 101452014.06.30 гулировки межвалкового зазора, загрузочный и приемный лотки с механизмами подпора торцовых поверхностей обрабатываемой заготовки, снабженными приводными центрами,соосными оси прокатки, прокатные валки выполнены в форме усеченных конусов с продольными шлицами на формообразующей поверхности при высоте шлица 0,5-5,0 мм и соотношении высоты шлица к шагу от 2 до 1 у большего основания конуса с уменьшением высоты шлица до нуля на расстоянии 0-5 мм от меньшего основания конуса. Сущность заявляемого технического решения заключается в оптимизации характера и направления пластического течения металла. Каждая из трех составляющих волны пластического потока, формируемого валками, разделяется на множество микропластических областей, в которых деформация осуществляется сначала в радиальном направлении в условиях, близких к всестороннему неравномерному сжатию, а затем в осевом за счет сдвига. Это позволяет перераспределить нагрузку по поверхности обрабатываемой заготовки и тем самым значительно повысить максимально возможную степень деформации малопластичных материалов. Пластическое течение поверхностного слоя начинается преимущественно в радиальном направлении за счет воздействия шлицов валкового инструмента. Деформируемая поверхность при этом принимает ответную зубчатую форму, которая при дальнейшем движении заготовки через валковые инструменты сглаживается за счет уменьшения высоты шлицов до нуля. Шлицы валков внедряются в заготовку, а металл выдавливается в радиальном направлении преимущественно в свободное пространство между ними. В осевом направлении на начальном этапе формообразования пластическое течение металла затруднено из-за ограниченного межшлицевого пространства. Разделение сплошного пластического потока на области микродеформации обеспечивает повышение локального давления в этих областях в процессе формообразования, что приводит к уменьшению размеров зерна металла. Это связано с тем, что размер зоны внедрения шлица валка значительно меньше зоны сдвига материала при обработке гладкими валками у прототипа. Эффект противодавления реализуется за счет воздействия на пластический поток с одной стороны внутреннего объема заготовки (ее сердцевины), а с другой - за счет постепенного уменьшения объема межшлицевого пространства при подаче заготовки. При этом, поскольку глубина деформируемой области заметно превышает глубину области пластического течения, на которую воздействуют валки непосредственно, изменение структуры материала, т.е. уменьшение размеров зерен металла, сохраняется на рабочей поверхности после полного прохода валков. Реализация за счет наличия шлицов условия многоточечного сжатия (в отличие от трехточечного у прототипа) позволяет распределить механическую нагрузку на меньшую глубину по большей площади. Это позволяет значительно уменьшить неравномерность толщины поверхностного слоя (до 5 ), что, в свою очередь, обеспечивает заметное увеличение усталостной прочности ввиду делокализации механических напряжений на отдельных участках. В результате повышаются как усталостная прочность, так и выход годной продукции. Аналогичные процессы протекают также при формообразовании других материалов с пониженной пластичностью, например композитных материалов. Поэтому заявляемое устройство для горячей пластической деформации может быть с успехом использовано при изготовлении изделий из широкого спектра материалов. Высота шлица 0,5-5,0 мм выбрана на основании фактически используемых размеров обрабатываемых деталей, степеней деформации и областей пластического течения металла. Высота менее 0,5 мм, например 0,2 мм, с учетом реальной шероховатости поверхности заготовки не в состоянии обеспечить разделение пластического потока на отдельные области. Высоту шлица более 5,0 мм, например 8,0 мм, использовать нецелесообразно в связи с увеличением соответствующего размера межшлицевого пространства и возникновением в этой связи областей, где условие противодавления реализуется в недостаточной степени. Соотношение высоты шлица к шагу от 2 до 1 у большего основания конуса выбрано для создания межшлицевого пространства, обеспечивающего пластическое течение ме 3 101452014.06.30 талла преимущественно в направлении оси валка. При соотношении высоты шлица к шагу более 2, например 3, высота областей межшлицевого пространства оказывается слишком большой, что приводит к разрывам пластического потока и образованию трещин в поверхностном слое металла. При соотношении высоты шлица к шагу менее 1, например 0,5, размер областей межшлицевого пространства оказывается слишком малым для разделения пластического потока в требуемой степени. При этом также заметно снижается равномерность толщины поверхностного слоя. Уменьшение высоты шлицов до нуля на расстоянии 0-5 мм от меньшего основания конуса необходимо для сглаживания прокатанной поверхности с сохранением оптимальных характеристик поверхностного слоя полученного изделия. Если высота шлица не уменьшается до нуля, в результате прокатки получается изделие с ответными шлицами на рабочей поверхности. Если же расстояние от края меньшего основания конуса превышает 5 мм и составляет, например, 10 мм, то это приводит к снижению равномерности толщины поверхностного слоя, что отрицательно сказывается на усталостной прочности. Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведено схематическое изображение заявляемого устройства для горячей пластической деформации, на фиг. 2 - сечение обрабатываемой заготовки при ее формообразовании, на фиг. 3 схема формообразования поверхности заготовки в процессе прокатки (вид А-А фиг. 2). На фигурах приняты следующие обозначения 1 - станина 2 - прокатная клеть 3 - загрузочный лоток 4 - приемный лоток 5 - силовые гидроцилиндры 6 - штоки с приводными центрами 7 - прокатные валки 8 - карданные валы 9 - муфты 10 - заготовка 1, 2, 3, загот - оси первого, второго и третьего прокатных валков и обрабатываемой заготовки соответственно 1, 2 - диаметр заготовки до и после прокатки соответственно 3 - диаметр заготовки без учета толщины модифицированного прокаткой слоя- расстояние от меньшего основания конуса до начала шлицов прокатных валков. Как следует из описания и видно из фиг. 1, заявляемое устройство для горячей пластической деформации изделий из чугуна состоит из станины 1, на которой смонтированы прокатная клеть 2, загрузочный 3 и приемный 4 лотки, силовые гидроцилиндры 5 со штоками с приводными центрами 6. Направление усилия подпора указано фигурными стрелками, расположенными на силовых гидроцилиндрах 5. В прокатной клети установлены прокатные валки 7 в виде усеченных конусов со шлицами, приводимые в действие от электродвигателей (на фигурах не показаны) с помощью карданных валов 8 с муфтами 9 с механизмами регулировки зазора между валками и заготовкой 10. Направление вращения показано фигурными стрелками, расположенными вблизи карданных валов 8. Заявляемое устройство для горячей пластической деформации изделий из чугуна работает следующим образом. Нагретая до температуры прокатки заготовка 10 устанавливается на загрузочный лоток 3 и центруется между штоками с приводными центрами 6 силовых гидроцилиндров 5. Затем заготовка перемещается в прокатную клеть 2, где на нее начинают воздействовать прокатные валки 7, приводимые во вращение от синхронных электродвигателей через карданные валы 8 и муфты 9. Первоначальный контакт заготовки диаметром 1 с прокатными валками 7 осуществляется на кончиках шлицов вблизи большего диаметра. По мере подачи заготовки в прокатную клеть шлицы валков врезаются в ее поверхность на некото 4 101452014.06.30 рую глубину, при этом начинается пластическое течение поверхностного слоя металла(фиг. 2). Энергетически наиболее выгодным в данном случае является пластическое течение металла в область между шлицами прокатных валков. Это направление на фиг. 2 показано изогнутыми стрелками и близко к нормали к поверхности заготовки. Наиболее интенсивно пластическая деформация протекает в области, непосредственно примыкающей к шлицам валков. По мере продвижения детали через прокатную клеть размер формируемых на ее поверхности ответных шлицов увеличивается до полного заполнения межшлицевого пространства валков. При этом область пластической деформации и формоизменения размеров зерен металла распространяется на некоторую глубину заготовки, ограниченную диаметром 3. При дальнейшем продвижении заготовки через валки с учетом уменьшения высоты шлицов валков и межшлицевого пространства начинается пластическое течение металла вдоль оси заготовки. Суммарный пластический поток при этом представляет собой совокупность пластических потоков отдельных шлицов. Ответные шлицы на поверхности заготовки сглаживаются при дальнейшем движении заготовки воздействием области валков длинойу меньшего основания конуса, не содержащей шлицы (фиг. 3). Конечный диаметр готового изделия составляет 2. При этом область заготовки, расположенная непосредственно под шлицами и характеризующаяся оптимальными свойствами,сохраняется на полученной рабочей поверхности заготовки. Глубина этой области задается режимами деформации и определяется разницей между 2 и 3. Готовое изделие выгружается на приемный лоток 4. Испытания заявляемого устройства для горячей пластической деформации проводили при изготовлении ступенчатого вала компрессора из высокопрочного чугуна. В качестве исходных использовали литые цилиндрические заготовки диаметром 55 мм,отлитые в песчано-глинистые формы из высокопрочного чугуна марки ВЧ-50. После механической обработки (проточки до диаметра 51 мм и торцовки) заготовки нагревали в индукторе до температуры 1000 С, помещали на приемный лоток заявляемого устройства,центровали между штоками и проводили горячую пластическую деформацию. Степень деформации задавалась конструкционными особенностями валков, которые указаны в таблице,и составила 50 . Затем заготовки охлаждали до комнатной температуры и проводили их отпуск при температуре 450-500 С. Для сравнения такие же валы компрессора изготавливали на устройстве-прототипе. При этом в обоих случаях на поверхности полуосей формировался модифицированный слой, представляющий собой деформированный чугун с видоизмененными графитными включениями разной степени морфологии и вытянутости. Неравномерность толщины поверхностного слоя контролировали на поперечном шлифе прокатанной заготовки после травления нитралем путем прямого измерения. Размер зерен металлической основы по сечению вала контролировали методом оптической микроскопии при увеличениях от 100 до 1000 после травления образцов ниталем и оценивали по бальной системе в соответствии с 3. Усталостную прочность оценивали на основании измерения предела выносливости в соответствии с 4 на машине УКИ-6000-2 на гладких образцах в условиях симметричного цикла. Число циклов нагружения - 10106. Образцы диаметром 5 мм вырезали из поверхностного слоя прокатанной заготовки. Испытывали также контрольные образцы из исходного литого чугуна, не подвергавшиеся прокатке. Результаты испытаний приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что заявляемое устройство для горячей пластической деформации по сравнению с прототипом позволяет повысить предел выносливости готовых изделий из чугуна с 240-260 до 280-350 МПа и увеличить выход годных изделий в два раза. Это достигается за счет измельчения структуры металлической матрицы и значительного уменьшения неравномерности толщины поверхностного слоя, что обусловлено оптимизацией пластического течения металла за счет совокупности отличительных признаков заявляемого технического решения. 5 101452014.06.30 Влияние конструктивных особенностей устройства для горячей пластической деформации на характеристики получаемых изделий Характеристики валков заявляемого Балл зерна меустройства таллическойВы- Соотноматрицы поРасстояние от п/п сота шение вы- меньшего основа- верхностного зуба, соты зуба ния конуса до об- слоя вала после деформации мм к шагу ласти зубьев, мм Предел выНеравноВыход годносливости мерность ных загопри испытатолщины товок при ниях на усповерхнопрокатталость,стного ке,МПа слоя,прототип контрольный образец из исходного литого чугуна Национальный центринтеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6

МПК / Метки

МПК: B21H 1/18

Метки: изделий, деформации, чугуна, горячей, устройство, пластической

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/6-u10145-ustrojjstvo-dlya-goryachejj-plasticheskojj-deformacii-izdelijj-iz-chuguna.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Устройство для горячей пластической деформации изделий из чугуна</a>

Похожие патенты