Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЖИМА КОНЦА ТОЛСТОСТЕННОЙ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Клубович Владимир Владимирович Клушин Валерий Александрович Липницкий Алексей Станиславович Томило Вячеслав Анатольевич Левкович Виктор Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки, содержащее технологический блок, включающий матрицу, опорную втулку и выталкиватель, отличающееся тем, что дополнительно содержит индукционный нагреватель, имеющий возможность перемещения вдоль оси заготовки, обжимной станок, установленный соосно с матрицей и предназначенный для задачи заготовки в матрицу, и систему автоматического управления,содержащую блоки контроля изменения температурного и силового интервалов нагрева и обжима конца толстостенной трубной заготовки и сопряженные с ними датчики температуры нагрева и усилия обжима.(56) 1. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве самолетов. - М. Машиностроение, 1981. 2. Клубович В.В., Томило В.А. Технологии изготовления и обработки специальных периодических профилей Монография. - Минск БНТУ, 2007. 3.2043813, МПК 21 41/04, 1995. 106542015.04.30 Полезная модель относится к обработке металлов давлением и может быть использована для обжима концов толстостенных трубных заготовок, используемых, например, при изготовлении несущих осей сельскохозяйственной техники. Известны устройства для обжима концов труб, содержащие деформирующий инструмент, состоящий из матрицы и пуансона. Обжим производится под действием постоянной внешней нагрузки в штампе с электроподогревом матрицы для передачи тепла деформируемому концу трубной заготовки 1. Недостатком этих устройств является низкая производительность из-за длительности процесса нагрева концевого участка трубы для обеспечения требуемой температуры штамповки (обжима). Известны устройства для обжима концов труб, построенные на основе поперечновинтовой прокатки. Обжиму предшествует нагрев заготовки до 11001300 С, после чего осуществляется основная операция прокаткой на оправке или без ввода оправки внутрь трубной заготовки профильными вращающимися валками, развернутыми относительно оси вращения заготовки на угол подачи 2. Недостаток указанного устройства заключается в ограниченных технологических возможностях, обусловленных потерей устойчивости трубной заготовки в радиальном направлении. В качестве прототипа выбрано устройство для обжима концов труб, содержащее технологический блок, включающий деформирующий инструмент в виде кольцевой матрицы, установленной в корпусе, и связанный с силовым цилиндром толкатель, расположенный соосно с матрицей 3. Процесс обработки концов труб в этом устройстве включает операции подачи трубы в устройство с последующим обжимом. Выталкивание трубы из матрицы осуществляется с помощью толкателя, установленного на штоке силового цилиндра. Недостаток устройства-прототипа заключается в низкой производительности обжима конца толстостенной трубы из-за последовательного выполнения операций нагрева,транспортировки и деформации, а также в ограниченных технологических возможностях,обусловленных потерей осевой устойчивости трубной заготовки в зоне нагретого концевого участка. Потеря осевой устойчивости нагретого концевого участка трубной заготовки проявляется в виде образования кольцевой гофры в момент, когда усилие обжима превышает допустимое усилие сжатия нагретой трубы по условию сохранения ее осевой устойчивости. Допустимое усилие сжатия нагретого концевого участка трубы зависит от его длины, чем больше длина нагретого концевого участка, тем меньше допустимое усилие сжатия. При обжиме нагретого концевого участка трубной заготовки в матрице без внешнего подпора ее наружной поверхности наблюдается потеря осевой устойчивости в виде изгиба или образование наружной кольцевой гофры, а при обжиме с подпором наружной поверхности - образование внутренней кольцевой гофры в месте перехода нагретого участка трубы в ненагретый (на границе нагрева). На потерю осевой устойчивости при обжиме конца толстостенной трубной заготовки кроме длинынагреваемого концевого участка трубной заготовки и температуры нагревазначительное влияние оказывают коэффициент обжима Коб/, характеризующий степень редуцирования наружного диаметра трубы ( - внешний диаметр исходной заготовки,- диаметр обжатого концевого участка трубы), относительная толщина трубы /( - толщина стенки трубы) и угол обжима(угол конуса матрицы). Поэтому при обжиме концов труб со степенями редуцирования, близкими к критическим значениям и требующими по конструктивным соображениям большого угла обжима и/или большой длины обжимаемого конца, процесс обжима осуществляют за несколько переходов, что увеличивает трудоемкость процесса обжима и уменьшает производительность. 2 106542015.04.30 В основу полезной модели положена задача повышения производительности и расширения технологических возможностей обжима конца толстостенной трубной заготовки путем выполнения нагрева и обжима концевого участка трубной заготовки непрерывно последовательно в заданном контролируемом температурном и силовом интервалах значений. Поставленная задача достигается тем, что устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки, содержащее технологический блок, включающий матрицу, опорную втулку и выталкиватель, дополнительно содержит индукционный нагреватель,имеющий возможность перемещения вдоль оси заготовки, обжимной станок, установленный соосно с матрицей и предназначенный для задачи заготовки в матрицу, и систему автоматического управления, содержащую блоки контроля изменения температурного и силового интервалов нагрева и обжима конца толстостенной трубной заготовки и сопряженные с ними датчики температуры нагрева и усилия обжима. Сущностью заявляемого технического решения является обеспечение оптимальных температурно-силовых режимов обжима и поддержание их в течение всего процесса обжима. В процессе обжима с помощью датчиков температуры нагрева и усилия происходит контроль данных параметров. В случае выхода фактических параметров за пределы допустимых значений происходит их корректировка. При изменении усилия обжима и/или температуры заготовки система управления формирует наиболее предпочтительные для конкретного процесса обжима команды изменение расстояния между индукционным нагревателем и матрицей за счет перемещения индукционного нагревателя, что приведет к изменению времени остывания заготовки перед обжимом, изменение передаваемой в заготовку мощности и/или изменение скорости деформирования (изменение температуры нагрева). Для каждого конкретного технологического процесса обжима возможно подобрать режим, при котором перед подачей в матрицу заготовка будет иметь минимальную необходимую температуру, при которой возможно проведение операции за минимальное количество переходов и с усилием, не выходящим за пределы допустимого интервала. Проведение операции обжима за минимальное количество переходов способствует увеличению производительности процесса, контроль температуры непосредственно перед подачей заготовки в матрицу позволяет задавать температуру заготовки в зависимости от сложности операции (коэффициент обжима и относительная толщина стенки). Сущность полезной модели его поясняется фигурами, где фиг. 1 - схема устройства для обжима конца толстостенной трубной заготовки сверху положение трубной заготовки в момент начала обжима конца трубы, снизу положение трубной заготовки в момент окончания обжима конца трубы фиг. 2 - чертеж поковки цапфы ПРТ 10.03.807 несущей оси сельскохозяйственной техники ОАО Бобруйскагромаш. Заявляемое устройство содержит следующие основные устройства технологический блок 1, индукционный нагреватель 2, обжимной станок 3, систему автоматического управления 4. Технологический блок 1 включает матрицу 5, опорную втулку 6 и выталкиватель 7. Индукционный нагреватель 2 включает генератор 8 высокой частоты, индуктор 9 и механизм 10 перемещения индуктора вдоль продольной оси технологической линии обжима. Обжимной станок 3 включает силовой гидроцилиндр 11, пуансон 12, который кинематически связан со штоком гидроцилиндра 11, и приемный рольганг 13. Система автоматического управления 4 включает датчик 14 температуры нагрева, датчик 15 усилия обжима (датчик давления), устройство 16 сравнения (контроля изменения температурного и силового интервалов нагрева и обжима конца трубной заготовки), за 3 106542015.04.30 датчик 17 заданного температурного и силового интервалов обжима и пульт управления процессом обжима (на фигурах не показан). Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки работает следующим образом. В исходном положении, когда шток силового гидроцилиндра 11 обжимного станка 3 и пуансон 12 находятся в крайнем правом положении (положение пуансона показано пунктирной линией), производят загрузку трубной заготовки 18 на приемный рольганг 13 технологической линии обжима. Включают индукционный нагреватель 2 и обжимной станок 3. Пуансоном 12 обжимного станка 3 воздействуют на трубную заготовку 18, проталкивая ее через индуктор 9 индукционного нагревателя 2 в матрицу 5 технологического блока 1. По мере проталкивания трубной заготовки 18 через индуктор 9 индукционного нагревателя 2 осуществляют непрерывно последовательно в заданном температурном интервале нагрев локальных зон концевого участка трубной заготовки и к моменту начала обжима конца трубы (фиг. 1, сверху) нагревают до требуемой температуры концевой участок трубы длиной . При дальнейшем продвижении трубной заготовки 18 осуществляют одновременно нагрев конца трубы до требуемой длины , после чего индукционный нагреватель 2 отключают, и обжим нагретого конца трубы (фиг. 1, снизу) путем ее проталкивания через матрицу 5 технологического блока 1. Обжим конца толстостенной трубной заготовки осуществляют в заданных температурном и силовом интервалах путем контроля фактической температуры нагрева проталкиваемой трубной заготовки 18 на участке между индуктором 9 и матрицей 5 датчиком 14 температуры нагрева и контроля усилия обжима концевого участка трубной заготовки датчиком 15 усилия обжима, которые сравнивают в устройстве 16 контроля изменения температурного и силового интервалов обжима с заданными задатчиком 17 температурным и силовым интервалами обжима. Величина изменения температурного интервала обжима (разница электрических сигналов от датчика 14 и задатчика 17) в устройстве 16 сравнения формирует одну или несколько наиболее предпочтительных для конкретного технологического процесса обжима команд увеличение или уменьшение скорости деформирования и/или изменение передаваемой в заготовку мощности путем изменения напряжения генератора. Величина изменения силового интервала обжима (разница электрических сигналов от датчика 15 и задатчика 17) в устройстве 16 сравнения формирует команду на уменьшение или увеличение расстояния между индуктором и матрицей за счет перемещения индуктора вдоль продольной оси. При увеличении усилия обжима уменьшают расстояние между индуктором и матрицей. Проводили сравнительные испытания известного и заявленного устройств для обжима конца толстостенной трубной заготовки на примере изготовления поковки цапфы ПРТ 10.03.807 (фиг. 2) несущей оси сельскохозяйственной техники из трубной заготовки 12118 мм, длиной 570 мм, сталь 40 Х. Конец трубной заготовки, подвергаемый обжиму, с учетом конусного участка - 225 мм угол обжима переходного участка трубы 3730 степень редуцирования 33 коэффициент обжима Коб.1,39 относительная толщина /0,15. Обжим конца трубной заготовки за один переход в заданных технологических режимах сопровождался потерей осевой устойчивости на стадии формирования конусного участка поковки. Конструктивные и, соответственно, технологические параметры поковки близки к предельным значениям по условию осевой устойчивости при обжиме конца в один переход. В связи с чем обжим осуществляли с нагревом конца трубной заготовки до 750 С в два перехода. 106542015.04.30 На первом переходе осуществляли обжим конца трубной заготовки на диаметр 98 мм(степень редуцирования 22,3 Коб.1,23), а на втором переходе обжимали конец трубной заготовки с диаметра 98 мм на требуемый диаметр 87 мм (степень редуцирования 13,75 Коб.1,13). По известной технологии нагревали конец трубы 12118 мм длиной 250 мм до 750 С и затем осуществляли обжим конца трубы на диаметр 98 мм (первый переход) путем проталкивания в матрицу с углом конуса 30 со скоростью 10 мм/с. Нагретый участок трубы потерял осевую устойчивость при обжиме конусного участка. Уменьшали длину нагреваемого конца трубы для возможности его обжима без потери устойчивости, т.е. без образования гофр и изгиба. По известной технологии оказалось возможным осуществить обжим конца трубы 12118 мм на диаметр 98 мм с нагревом конца трубы длиной не более 150 мм. После чего был выполнен второй переход с углом обжима переходного участка трубы 3730 с диаметра 98 мм на диаметр 87 мм, при этом длина обжатого конца составила 95 мм вместо требуемой длины 165 мм (фиг. 2). Обжим цапфы несущей оси с применением предлагаемого устройства осуществляли также в два перехода. Нагрев и обжим концевого участка трубной заготовки в каждом переходе осуществляли непрерывно последовательно в заданном температурном интервале 700-750 С путем проталкивания трубной заготовки силовым гидроцилиндром 11 через индуктор 9 в матрицу 5 со скоростью 10 мм/с. В отличии от известной технологии к моменту начала обжима конца трубной заготовки нагретым до заданной температуры 750 С был концевой участок длиной 0,8 100 мм. В данном конкретном случае при заданной скорости проталкивания трубной заготовки 19 через индуктор 10 мм/с нагрев концевого участка трубной заготовки 100 мм обеспечивался подводом к индуктору требуемой мощности. В процессе обжима конца трубной заготовки система автоматического управления 4 обеспечивала контроль температуры нагрева и усилия, затрачиваемого на выполнение деформации, что позволяло осуществлять обжим в заданных температурных и силовых режимах. Минимизация длины нагретого участка заготовкипри непрерывном последовательном нагреве и обжиме концевого участка трубной заготовки позволила осуществить обжим конца трубной заготовки цапфы несущей оси сельскохозяйственной техники за один переход при условии изменения угла конуса с 3730 до 25. Учитывая, что конец трубной заготовки цапфы подвергается последующей механической обработке, обжим конца за один переход по предлагаемому способу следует считать наиболее целесообразным. Как следует из сопоставительного анализа известного и заявленного устройств обжим конца толстостенной трубной заготовки по новой технологии, при которой нагрев и обжим концевого участка трубной заготовки осуществляют непрерывно последовательно в оптимальных температурно-силовых режимах, повышает производительность процесса и расширяет технологические возможности. Производительность обжима повышается за счет непрерывного последовательного осуществления нагрева и обжима концевого участка трубной заготовки. Кроме того, как показано в конкретном примере изготовления поковки цапфы несущей оси сельскохозяйственной техники, обжим конца может быть выполнен за один переход. Стабильность процесса обжима конца толстостенной трубной заготовки достигается за счет уменьшения длины нагреваемого конца трубы перед его обжимом за счет непрерывного последовательного нагрева локальной зоны концевого участка трубной заготовки и оптимизации температурного и силового режимов деформации, не допускающих условий, при которых нагретый конец трубной заготовки теряет осевую устойчивость. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6