CC BY
12
Ij|p tl415_.fm Page 88 Thursday, December 17, 2015 4:21 PM vjp'" ^^
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.777
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕССОВАННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Д.Д. Ваулин, С.М. Голубев, Л.А. Снегирева, канд. техн. наук, И.А. Шур, канд. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Недостатком известных способов горячего прессования трубных заготовок с минимальной разнотолщинностью посредством экспандирования предварительно сверленых заготовок является отсутствие их позиционирования по оси пресса в контейнере перед деформацией. Рассмотрен разработанный и прошедший опытно-промышленное опробование в ВИЛСе новый способ - совмещение экспандирования и прессования в одном рабочем цикле пресса при получении трубных заготовок из титановых сплавов, основанный на фиксации исходной заготовки перед прессованием на оси пресса в пространстве между матрицей и контейнером с последующим надвиганием его на заготовку и образованием между ними равномерного кольцевого зазора. Приведены характеристики качества прессованных трубных заготовок, полученных новым способом, позволившим снизить разнотолщинность до 6-7 %.
Ключевые слова: ВИЛС, трубная заготовка, экспандирование, прессование, разнотолщинность, соосность инструментальной оснастки.
/¡л Improvement of Extruded Titanium Alloy Round Billet Production Process.
D.D. Vaulin, S.M. Golubev, L.A. Snegiriova, I.A. Shur.
Limitation of the known techniques used for production of hot-extruded round billets with minimal thickness unevenness via expanding of predrilled billets is absence of their press axis positioning in the container prior to deformation. A new technique, namely combination of the expanding and extrusion in one work cycle of the press, used for production of titanium alloy round billets has been developed at VILS and has passed a production test. The technique is based on location of an initial billet on the press axis in the space between the die and the container with subseguent movement of the latter onto the billet with formation of a uniform ring space between them. Characteristics of quality of the extruded round billets manufactured via the new technique resulted in a reduction of thickness unevenness down to 6-7 % are shown.
Key words: VILS, round billet, expanding, extrusion, thickness unevenness, tool equipment alignment.
Традиционная технология изготовления горячепрессованных трубных полуфабрикатов из титановых сплавов с минимальной разнотолщинностью основывается на использовании экспандирования предварительно сверленых заготовок. Сквозное отверстие в них направляет движение экспандирующего наконечника,установленного на оправке,закрепленной в пресс-штемпеле [1]. Недостаток такого способа особенно проявляется
при прессовании на горизонтальных прессах с отсутствием позиционирования сверленой заготовки по оси в контейнере перед деформацией, вследствие чего внутри его рабочей полости заготовка располагается асимметрично, образуя неравномерный зазор по периметру. Такая неконцентричность расположения заготовки в контейнере при экспан-дировании вызывает неравномерное фронтальное течение металла. В результате оп-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
равка отклоняется от оси контейнера и смещается в канале матрицы, что при последующем прессовании приводит к разнотол-щинности прессованной трубной заготовки, а в крайнем случае к поломке оправки.
Для уменьшения разнотолщинности прессованных трубных заготовок, используемых в дальнейшем для получения бесшовных хо-лоднодеформированных труб, в ВИЛСе разработан и прошел опытно-промышленное опробование способ горячего экспандиро-вания и прессования за один рабочий цикл пресса сверленых заготовок с предвари -тельным точным позиционированием их по оси пресса [2]. Технологическая схема экс-пандирования и прессования трубной заготовки этим методом показана на рис. 1.
В отличие от общепринятого способа загрузки заготовки в контейнер пресса со стороны пресс-штемпеля при данной технологии заготовку податчиком подают на ось пресса в пространство между матрицей, установленной в передней траверсе пресса, и подвижным контейнером. Затем при холостом ходе пресс-штемпеля съемный экспан-дирующий наконечник, надетый на оправку по подвижной посадке, конической поверхностью вступает в контакт с отверстием в заготовке и прижимает ее к матрице, фиксируя на оси пресса. После удаления податчика с
оси пресса контейнер надвигают на заготовку, обеспечивая равномерный кольцевой зазор между заготовкой и рабочей полостью контейнера. В дальнейшем рабочим ходом пресс-штемпеля сначала производят экспан-дирование заготовки с заполнением поперечного сечения контейнера, а потом прессование трубной заготовки с выталкиванием экспандирующего наконечника с оправки. Образование одинакового кольцевого зазора между заготовкой и внутренней поверхностью контейнера создает условие для равномерного течения металла в поперечном сечении потока при экспандировании, что существенно уменьшает отклонение оправки от оси пресса и ее смещение в очке матрицы.
Разработанная технологическая схема была реализована на действующем горизонтальном гидравлическом прутковопрофиль-ном прессе усилием 20 МН, предназначенном для прессования труднодеформируемых сталей и титановых сплавов. Пресс имеет поворотную инструментальную головку для быстрой смены матриц, жесткий неразъемный корпус контейнеродержателя, пилу горячей резки для отделения пресс-изделий перед или за матрицей, индивидуальный насос-но-аккумуляторный привод регулируемого давления, обеспечивающий повышенную скорость прессования (до 350 мм/с). Ход прес-
10 11
д -е
□
£
Рис. 1. Технологическая схема экспандирования и прессования трубной заготовки:
а - исходное положение инструментальной оснастки при подаче заготовки на ось пресса; б - позиционирование заготовки на оси пресса и ее прижим к матрице; в -положение контейнера с заготовкой внутри перед экспандированием; г -окончание процесса экспандирования заготовки; д - окончание процесса прессования трубной заготовки; е- отделение трубной заготовки от пресс-остатка; 1 - прессующая траверса; 2 -пресс-штемпель; 3 - оправка; 4 -пресс-шайба; 5 - экспандирующий наконечник; 6 - контейнер; 7 - рабочая втулка; 8 - упор; 9 - передняя траверса; 10 - матрица;11 - сверленая заготовка; 12 - податчик заготовок; 13 - прессованная трубная заготовка; 14 - пресс-остаток; 15 - диск пилы
а
2
в
г
е
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 2. Рабочая зона пресса после модернизации:
1 - приемник пресс-остатка; 2 - поворотный податчик заготовок; 3 - пила дисковая; 4 - кожух системы вентиляции; 5 - верхние направляющие; 6 - передняя траверса пресса; 7 - поворотная инструментальная головка; 8 - механизм смены переходников матриц; 9 - нижние направляющие; 10 - станина пресса
сующей траверсы пресса более чем в 2 раза превышает длину контейнера, что позволяет, несмотря на отсутствие прошивной системы, совмещать в одном рабочем цикле процессы экспандирования сверленой заготовки и последующего прессования трубной заготовки.
Пресс, находящийся в эксплуатации более 25 лет, был подвергнут ремонтно-восстановительным работам и модернизации подвижных элементов для обеспечения соосности инструментальной оснастки*, что позволило освоить технологию прессования полых пресс-изделий трубных заготовок указанным выше способом.
На рис. 2 представлен поперечный разрез рабочей зоны пресса после модернизации, на котором показаны верхние направляющие и поворотный податчик заготовок на ось пресса.
* В разработке модернизации пресса, инструментальной оснастки и проведении экспериментов принимали участие К.С. Иванов, Ю.С. Коротин, С.А. Симаков, Э.Г. Гаранжина, Н.В. Воронихина, В.Е. Щербаков.
Верхние плоские направляющие были смонтированы на верхних колоннах пресса в дополнение к существующим нижним призматическим направляющим, а к корпусам контейнеродержателя и прессующей траверсы были приварены кронштейны для установки опорных регулируемых башмаков. Таким образом пресс был оснащен Х-образ-ными направляющими с радиальным относительно оси пресса расположением плоскостей скольжения, что позволило обеспечить надежное регулирование соосности подвижных элементов пресса с точностью до 0,2 мм на длине 1000 мм при минимальной чувствительности к изменениям температуры при прессовании.
Для перемещения нагретой заготовки от нагревательной печи на ось пресса в пространство между матричным блоком и контейнером был разработан дополнительный поворотный податчик рычажного типа с клещевым захватом. Механизм поворота подат-чика закреплен на станине с боковой стороны пресса и имеет гидравлический привод
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
с зубчато-реечной передачей. Зажим заготовки при переносе на ось пресса осуществляется пневмопружинным механизмом с разгрузкой пневмоцилиндра на оси пресса для последующего перемещения заготовки экс-пандирующим наконечником к матрице. На боковой поверхности рычага податчика предусмотрены регулируемые упоры и пружинные амортизаторы для требуемого совмещения оси сверленой заготовки с осью пресса.
Принято во внимание, что одним из основных условий получения трубных заготовок с минимальной разнотолщинностью является обеспечение соосности осей оправки, закрепленной в пресс-штемпеле, матрицы, установленной в поворотной инструментальной головке и рабочей втулки контейнера. Проведенная перед началом прессования трубных заготовок контрольная проверка соосности элементов инструментальной оснастки показала, что отклонение оси матрицы от оси оправки составляет 3,4-3,6 мм и не может быть устранено смещением прессующей траверсы, имеющей жесткое соединение с главным плунжером. Для решения этой проблемы переходник матрицы, который фиксирует ее в инструментальной головке, выполнили с эксцентриситетом посадочного отверстия для матрицы, что позволило при указанной регулировке установить зазор между рабочим пояском матрицы и оправкой с точностью 0,2 мм.
Разработанный способ изготовления трубных заготовок совмещенным методом горячего экспандирования и прессования за один рабочий цикл пресса был опробован при выпуске партии трубных заготовок диаметром 65 мм с толщиной стенки 10 мм длиной 3,64,0 м из титанового сплава вг2. Заготовки для прессования длиной 370 мм изготавливали из кованых прутков с последующим сверлением отверстий диаметром 29 мм и чистовой обточкой на диаметр 165 мм для размещения в рабочей втулке контейнера диаметром 170 мм. На переднем конце заготовки выполняли конусную фаску, соответствующую конусу матрицы.
Каждый цикл прессования осуществлялся на новой инструментальной оснастке, которая предусматривала применение разъемных
или неразъемных матриц, напыленных слоем двуокиси циркония, оправки, жестко закрепленной на пресс-штемпеле, и экспандирую-щего наконечника с углом наклона образующей 13-18°, устанавливаемого в оправку по подвижной посадке.
Рис. 3. Прессованные трубные заготовки после травления перед правкой
Средние характеристики качества полученных трубных заготовок из сплава йг2
Достиг- Требования
Параметры нутые Заказ- ДБТМ
значения чика В338
Номинальный 65,0 65,0 63,5-88,9
наружный диа-
метр, мм
Номинальная 10,0 10,0 6,0-12,0
толщина, мм
Отклонения +0,0 ±0,5 ±0,4
диаметра, % -1,2
Разнотолщин- ±6,0-7,0 < 6,0 ±10
ность, %
Глубина залега- 0,5 0,5 -
ния дефектов на
наружной по-
верхности, мм
Тип структуры, 6-7 Не Не
размер зерна крупнее 7 типа поДБТМ Е112 крупнее 7 типа
Предел про- 405 > 345 > 345
чности ств, МПа
Предел текучес- 315 > 275 > 275
ти ст0 2, МПа
Относительное 45 > 20 > 20
удлинение 85, %
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
даыа?
Щ
л .. Шт
Рис. 4. Характерный тип микроструктуры трубной заготовки из сплава йт2, СМ:
а - выходной конец; б - утяжиный конец
ных заготовок (по среднему значению) приведены в таблице.
На рис. 4 приведен характерный тип микроструктуры трубных заготовок, прессованных с температуры ниже температуры фазового а -о- р- перехода сплава и рекристализационного отжига в а-области. Структура представлена равноосными зернами полиэдрической формы. Такая микроструктура соответствует 2 типу по шкале микроструктур однофазных титановых а-спла-вов [3] и 6-7 типу - по контрольной шкале структур стандарта ДБТМ Е112.
Заключение
Нагрев заготовок осуществляли в вертикальных индукционных печах до температуры 830-900 °С. Время передачи нагретых заготовок от печи до начала рабочего цикла составляло 45-55 с.
Экспандирование предварительно сверленых заготовок осуществляли при низком давлении рабочей жидкости, поступающей из наполнительного бака пресса (давление холостого хода), прессование - при высоком давлении от НАС. Наибольшее усилие прессования не превышало 14 МН. Скорость прессования трубной заготовки настраивалась с помощью дросселя и составляла 75-90 мм/с.
В ходе пусконаладочных работ было получено 14 трубных заготовок. На рис. 3 показаны заготовки после травления перед правкой. Характеристики качества полученных труб-
Разработанный и опробованный новый способ совмещения экспандирования и прессования в одном рабочем цикле пресса при получении трубных заготовок из титановых сплавов позволил снизить их разнотол-щинность до 6-7 % и может быть рекомендован для внедрения и организации промышленного производства трубных заготовок повышенной точности .
Подготовлен проект технических условий на поставку трубных заготовок повышенной точности из титановых сплавов, предназначенных для дальнейшего холодного передела.
Анализ результатов проведенных работ показал, что разработанный способ совершенствования процесса изготовления прессованых трубных заготовок имеет значительный потенциал в отношении увеличения точности получаемых полуфабрикатов и повышения экономических показателей трубного производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гуляев Г.И., Притоманов А.Е., Дробич О.П., Верховод В.К. Прессование стальных труб и профилей.- М.: Металлургия, 1973. - 191 с.
2. Пат. 2486980 РФ. Способ изготовления труб из труднодеформируемых металлов / Шур И. А., Ва-
улин Д.Д., Голубев С.М., Снегирева Л.А., Коро-тин Ю.С., Иванов К.С., Симаков С.А. 2013. 3. Борисова Е.А., Бочвар Г.А., Брун М.Я. и др.
Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. - М.: Металлургия, 1980. - 280 с.
-Ф-
-Ф-
