Исследование технологических возможностей гидравлического пресса двойного действия силой 140 мн при штамповке крупногабаритных поковок для арматуростроения

Артес Алексей Эдуардович; Пономарев Александр Сергеевич; Поваров Александр Сергеевич; Дудкинский Андрей Геннадьевич

УДК 621.7.043

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ СИЛОЙ 140 МН ПРИ ШТАМПОВКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОКОВОК ДЛЯ АРМАТУРОСТРОЕНИЯ

1 Московский государственный технический университет «СТАНКИН» 2 ЗАО НПО «Тяжпромарматура», г. Алексин

Поступила в редакцию 27.11.2012

В работе анализируются технологические процессы изготовления крупногабаритных поковок на гидравлическом прессе двойного действия силой 140 МН.

Ключевые слова: арматуростроение, гидравлический пресс двойного действия, толстолистовая заготовка, штамп, поковка

В преддверии пуска в 2013 г. гидравлического пресса двойного действия силой 140 МН на Суходольском заводе специального тяжелого машиностроения [1, 2] проведены предварительные исследования новых технологических процессов изготовления крупногабаритных поковок для шаровых кранов на Dy 1000, Dy 1200 и Dy 1400. В номенклатуру поковок нами включены полукорпуса, пробки, воротниковые фланцы шаровых кранов и тройники. В результате анализа существующих и предлагаемых способов изготовления этих поковок были рассмотрены новые целесообразные способы штамповки, отличающиеся большей эффективностью за счет повышения коэффициента использования металла и производительности труда. Так, например, типовая конструкция шарового крана на Dy 1000 состоит из корпуса, сваренного из двух полукорпусов, изготовленных штамповкой сферической части в специальном штампе, вытяжкой из листовой заготовки и высадкой горловины по технологии ЦНИИТМАШ [3]. Технология успешно внедрена на заводе «Энергомаш» (г. Белгород) при штамповке полукорпусов на Dy 500, Dy 700, Dy 1000. При этом с целью избежания зажима при высадке горловины для полукорпуса на Dy 1000 используется лист толщиной 100 мм

Артес Алексей Эдуардович, доктор технических наук, профессор кафедры систем пластического деформирования. E-mail: k_spd@stankin.ru Пономарев Александр Сергеевич, главный технолог. E-mail: a.ponomarev@ogscomp.ru

Поваров Александр Сергеевич, начальник конструк-торско-технологического отдела. E-mail: aspov@rambler.ru

Дудкинский Андрей Геннадьевич, студент

(вместо 75 мм). Потребителями этих поковок являются заводы ЗАО НПО «Тяжпромарматура» (г. Алексин) и ОАО «Волгограднефтемаш». Полукорпуса на Бу 1200 и Бу 1400 должны изготавливаться на гидравлическом прессе силой 140 МН, так как они в настоящее время изготавливаются методом сварки кованой горловины со сферической частью, штампуемой из толстолистовой заготовки. На рис. 1 представлен чертеж полукорпуса шарового крана, который планируется (ЗАО НПО «Тяжпромарматура») штамповать на прессе силой 140 МН из сварной обечайки диаметром 2386 мм (из листа толщиной 90 мм).

Рис. 1. Чертеж поковки полукорпуса шарового крана на Бу 1400 (сталь 09Г2С)

Для принятия окончательного решения следует рассмотреть и другие возможные варианты штамповки крупногабаритных поковок полукорпусов. Новые возможности открываются в связи с развитием технологии производства цен-тробежнолитых труб. ОАО «Тяжпрессмаш» приступил к изготовлению специальных установок для производства центробежнолитых труб диаметром до 1000 мм с толщиной стенки 250 мм и длиной до 2800 мм. Этот новый вид исходных заготовок позволит интенсифицировать технологию ковки трубных заготовок и штамповку из них определенной номенклатуры поковок для арматуростроения и других отраслей. Так, например, рациональным является ковка из центробежнолитой трубной заготовки полукорпусов шаровых кранов с использованием специальной конструкции оправок и четырехбойково-го ковочного блока [4]. В соответствии с патентом ОАО «Тяжпрессмаш» [4] предлагаемый технологический процесс предусматривает ковку трубной заготовки переменного сечения сразу на два полуфабриката (рис. 2).

б)

Рис. 2. Схема обжима на оправке трубной заготовки переменного сечения (полуфабрикат): а) - кованая заготовка на оправке, б) - поковка после обжима. 1 - бойки четырехбойкового ковочного блока, 2 - оправка (сборная), 3 - кованая заготовка, 4 - поковка на два полукорпуса

Ковка ведется сначала из центробежноли-той трубной заготовки толщиной 250 мм с использованием обычной оправки с получением полуфабриката толщиной 75 мм и 100 мм (в срединной части). Затем после второго нагрева полуфабрикат обжимается по схеме, представленной на рис. 2. При этом используется оригинальная сборная конструкция оправки и четырехбой-ковый ковочный блок. Получают суммарный

уков у>2 и удовлетворительную мелкозернистую структуру.

Альтернативным вариантом является технология штамповки полукорпусов путем прямого горячего выдавливания литой заготовки с последующей ее штамповкой методом обжима горловины и раздачи сферической части поковки (рис. 3) [5]. Выдавливание осуществляется в специальном штампе с целью получения мелкозернистой структуры в нижней части полуфабриката цилиндрической формы за счет уменьшения исходной толщины трубной заготовки с заданной относительной степенью деформации (рис. 3 а). После выдавливания полуфабрикат нагревают и ведут штамповку во втором штампе путем обжима верхней части с более толстой стенкой цилиндра (горловины) и раздачей нижней части с относительной степенью деформации не менее чем на 10% (рис. 3б). При обжиме также измельчается столбчатая литая структура металла в верхней части полуфабриката. Выдавливание полуфабриката в первом штампе осуществляется с использованием составного пуансона 1 и 2. При выдавливании подвижная часть пуансона 2 силами трения увлекается вниз, снижая необходимую силу выдавливания. Таким образом практически весь объем металла трубной заготовки подвергается пластическому деформированию без нарушений сплошности, что значительно повышает механические характеристики поковок и в целом позволяет использовать более дешевые исходные заготовки и сократить расход металла, а также повысить производительность труда. Технология рекомендуется в мелкосерийном и серийном производствах для полукорпусов на Бу 700,Бу 1000, Бу 1200 и Бу 1400 мм.

Однако предлагаемый способ может быть усовершенствован, ликвидировав операцию выдавливания и сложный штамп, за счет получения полуфабриката методом раскатки центробежно-литой заготовки и её ковки с использованием четырехбойкового ковочного блока для получения утолщения в зоне будущей горловины. В целях получения качественного полуфабриката его следовало бы подвергнуть обдирке на расточном станке и ультразвуковому контролю, и только затем подвергнуть горячему обжиму и раздаче. Следует иметь ввиду, что при раздаче нижней части полукорпуса она быстро охлаждается на шаровом блоке, что повышает устойчивость операции обжима горловины. Внедрению предлагаемой технологии должны предшествовать экспериментальные исследования с доказательством того, что деформирование литой структуры приведет к получению удовлетворительных прочностных характеристик, приближающихся к прочностным характеристикам толстолистового проката.

а) б)

Рис. 3. Схема выдавливания: а) 1 - пуансон, 2 - оправка,; 3 - заготовка, 4 - матрица, 5 - бандаж, 6 - полуфабрикат; схема обжима верхней и раздачи нижней частей; б) 1 - полуфабрикат, 2 - матрица, 3 - пуансон; 4 - поковка

Нами предлагается новая технология штамповки крупногабаритных полукорпусов на Бу 1000, Бу 1200 и Бу 1400 мм, основанная на использовании толстостенных листовых заготовок толщиной 100, 105 и 110 мм. В соответствии с заявкой на изобретение [6] предлагаемая технология состоит из последовательного проведения операций: вырезки круглой заготовки в виде плоского фланца с отверстием и дальнейшее её формообразование посредством горячего пластического деформирования за несколько переходов в двух штампах. В первом двухсекционном штампе плоский фланец толщиной 100 или 105 мм с отверстием подвергается осадке внутренним кольцевым пуансоном при температуре 1150-1200оС с целью получения выступа с высотой 1,15 от толщины исходной заготовки (для полукорпуса Бу 1000 мм осаживается внутренняя зона до толщины 85 мм с одновременным формообразованием выступа высотой до 115 мм), а затем при втором ходе ползуна пресса осадку ведут наружным кольцевым пуансоном также до конечной толщины 75 мм. Полученный полуфабрикат устанавливается во второй штамп, в котором уже при меньшей температуре (9501000 оС) ведут окончательное формообразование поковки полукорпуса посредством вытяжки с одновременной отбортовкой в зоне горловины (рис. 4).

Наиболее сложным процессом штамповки полукорпуса является совмещение операции вытяжки сферической части поковки с операцией отбортовки. В соответствии с рекомендациями М.В. Сторожева и Е.А. Попова [7], сила отбор-товки Ротб может быть рассчитана по формуле:

Р

отб

2ж • £ г • (Яб ~ Гот)

где Зг - толщина заготовки (100 мм) в зоне горловины, аз - напряжение текучести (при t о=1000оС, аз «150 МПа), Я6 - радиус борта по средней линии (Яб =520 мм), гот - текущий радиус отверстия (гот «г0 в начале процесса, г0 «300 мм). Подставляя численные значения, получим: Ротв=2073 тс.

Рис. 4. Схема вытяжки и отбортовки поковки: 1 - пуансон, 2 - прижим, 3 - матрица, 4 - выталкиватель, 5 - поковка

Предлагаемая технология имеет существенное преимущество в сравнении с технологией «Энергомаш» (г. Белгород) при штамповке полукорпуса на Бу 1000 мм из листа толщиной 100 мм. По новой технологии толщина стенки в сферической части корпуса становится равной 75

мм, что позволяет экономить свыше 600 кг металла на каждой поковке. Освоение предлагаемой технологии позволит распространить её на штамповку полукорпусов шаровых кранов на Dy 1200 и Dy 1400 мм.

Преимущество использования центробеж-нолитых труб применительно к мелкосерийному производству можно проиллюстрировать на возможной технологии ковки валов из разрезанной вдоль оси на 6 частей трубной заготовки с параметрами D=1000 мм, S=250 мм и Ь=2000мм. Протяжка разрезанных полуфабрикатов с уко-вом 3 позволяет получить 6 валов диаметром 200 мм и длиной до 6 м. Из штучных заготовок диаметром 200 мм можно вести штамповку различных поковок (фланцев, колец, пробок шаровых и др.) массой до 120 кг. Определенный объем крупногабаритных поковок для изготовления на прессе 140 МН составляют воротниковые фланцы по ГОСТ 12821-80 на Dy от 18" до 24". При этом наиболее целесообразным технологическим процессом должен стать процесс горячего выдавливания поковок фланцев из центробеж-нолитых труб. Полуфабрикатом перед горячей штамповкой являются кольцевые заготовки, отрезаемые на лентопильных станках от центро-бежнолитых труб [8-10]. Последовательность формообразования фланцев состоит из операции осадки кольцевой заготовки наружным пуансоном, а затем внутренним, осуществляющим операцию отбортовки с утонением. Предлагаемая технология в сравнении с классической схемой облойной штамповки позволяет снизить расход металла до 25% и почти в 2 раза уменьшить силу штамповки.

Значительный экономический эффект может быть получен при использовании этой технологии для штамповки оригинальной конструкции биметаллического воротникового фланца, в котором его втулочная часть, примыкающая к трубе, состоит из коррозионно-стойкой стали, а фланцевая силовая часть - из углеродистой или малолегированной стали. Новый вид фланца в 2 раза дешевле фланца, целиком изготовленного из коррозионно-стойкой стали.

Центробежнолитые стальные трубы также могут быть использованы при штамповке пробок шаровых. На рис. 5 представлена схема штамповки осадкой трубной заготовки. При этом высота осаживаемой трубной заготовки может быть до 4-ех толщин. Таким образом, максимальная масса поковки штампуемой трубной заготовки диаметром 1000 мм и толщиной стенки 250 мм будет равна 4,6 т. Шаровые пробки больших габаритов следует штамповать из слитков методом прошивки и осадки.

Рис. 5. Схема штамповки шара методом высадки толстостенных трубных заготовок

На гидравлических прессах двойного действия может быть реализована технология штамповки пробок шаровых с выдавливанием двух выступов (рис. 6). Технологический процесс включает операции выдавливания, прошивки полостей и просечки. Изготовление поковок типа тройников планируется вести в специальных штампах с вертикальным разъемом полуматриц. Наиболее удачной конструкцией штампов является конструкция ЦНИИТМАШ, установленная на гидравлическом прессе 80 МН на «Белэнергомаш».

Рис. 6. Схема штамповки пробки шаровой в трехпозиционном штампе на гидравлическом прессе двойного действия

Выводы:

1. Пуск в строй гидравлического пресса двойного действия силой 140 МН позволит полностью обеспечить крупногабаритными поковками заводы арматуростроения, а также дополнительно изготавливать поковки для

других предприятий машиностроения с доведением в ближайшие годы производства поковок до 40 тыс. тонн в год. При этом предусматривается изготавливать на этом прессе, работающем в режиме ковочного пресса в комплексе с ковочным манипулятором, поковки типа валов, колец, кубиков и др.

2. К перечисленной номенклатуре поковок будут добавлены и такие поковки как: лепестки из толстолистовой стали для сварки сферических емкостей, цилиндры и втулки высотой до 2-х метров и другие поковки сложной формы из стали и цветных металлов и сплавов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Артес, А.Э. Инновационные достижения отечественной металлургии // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2012. № 6. С. 44-48.

2. Григорьев, С.Н. МГТУ «СТАНКИН»: курс на технологическое перевооружение отечественного машиностроения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2010. №6. С. 3-6.

3. Артес, А.Э. Технологические процессы изготовления поковок из трубных заготовок // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2003. № 11. С. 25-31.

4. Патент №224796. Способ изготовления полых поковок для корпусов изделий типа шаровых кранов. Авторы: Володин А.М., Сорокин В.А., Петров Н.П.

и др. Патентообладатель ОАО «Тяжпрес-смаш».Опубл. 20.12.2011 Бюл. №35.

5. Заявка на изобретение № регистрации 2011108829. Способ изготовления поковок крупногабаритных полукорпусов шаровых кранов из стальных цен-тробежнолитых и кованых трубных заготовок. Авторы: Володин А.М., Артес А.Э., Сорокин В.А., Петров Н.П. Заявитель ОАО «Тяжпрессмаш».

6. Заявка на изобретение № регистрации 2012107478. Способ изготовления поковок в виде полусферы с горловиной. Авторы: Артес А.Э., Володин А.М., Храмцов А.Л. и др. Заявитель: МГТУ «Станкин».

7. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. - М.: Машиностроение, 1974. 424 с.

8. Володин, А.М. Совершенствование технологических процессов изготовления крупногабаритных поковок из центробежнолитых и кованых трубных заготовок / А.М. Володин, Н.П. Петров, А.Э. Артес, А.С. Пономарев // Сборник докладов и научных статей XI конгресса «Кузнец-2012». - Рязань, 2012. С. 195-200.

9. Артес, А.Э. Новые технологии производства штампованных поковок // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2010. №6. С. 6-9.

10. Патент 58964 РФ, МПК: В21К 21/00. Конструкция биметаллического воротникового фланца и инструмент для штамповки его на прессе двойного действия / Володин А.М., Артес А.Э., Сорокин В.А. и др. (РФ); заявитель и патентообладатель ГОУ МГТУ «СТАНКИН» - №2006118301/22; заявл. 29.05.2006. опубл. 10.12.2006, Бюл. №34. 3 с.

RESEARCH THE TECHNOLOGICAL POSSIBILITIES OF DOUBLE ACTION HYDRAULIC PRESS WITH FORCE 140 MN AT PRESS FORMING OF LARGE-SIZED FORGINGS FOR ARMATURE CONSTRUCTION

1 Moscow State Technical University "STANKIN" 2 JSC "NPO Tyazhpromarmatura", Aleksin

In work technological processes of production the large-sized forgings on the 140 MN force double action hydraulic press are analyzed.

Key words: armature construction, double action hydraulic press, thick-sheet workpiece, stamp, forging

Aleksey Artes, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Plastic Deformation Systems. E-mail: k_spd@stankin. ru

Alexander Ponomarev, Chief Technologist. E-mail: a.ponomarev@ogscomp. ru

Alexander Povarov, Chief of the Construction and Technological Department. E-mail: aspov@rambler.ru Andrey Dudkinskiy, Student