CC BY
85
Аксенов Л.Б.1, Кункин С.Н.2 ©
Профессор, д.т.н., доцент, к.т.н., кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ТОРЦЕВАЯ РАСКАТКА - ОТБОРТОВКА ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ КОНИЧЕСКИМ
ВАЛКОМ
Аннотация
Использование торцевой раскатки, одного из методов локального деформирования металлов, позволяет осуществлять формоизменение при малой мощности оборудования. Однако возможности управления течением металла в этом процессе весьма ограничены. В работе рассмотрен основной фактор определяющий направление течения металла -трение на контактной поверхности деформируемого металла с раскатным валком. Показано, что силами трения можно управлять изменением положения раскатного валка относительно заготовки, и в результате добиться стабильного процесса раскатки отбортовкой, и, в частности, получение трубных фланцев.
Ключевые слова: раскатка, деформирование металла, обжатие, смещение валка, раскатной валок, силы трения, отбортовка.
Keywords: rotary forging, forming of metal, forging roll, displacement of roll, friction force, outward flanging.
В различных отраслях промышленности используется большое количество деталей типа фланцев. Номенклатура этих деталей весьма многообразна и регламентируется различными стандартами, как в нашей стране, так и за рубежом. Производство фланцевых деталей осуществляется по различным технологиям, но все они не отличаются высоким коэффициентом использования металла (КИМ). Многие технологии производства фланцев основаны на использовании технологии горячей штамповки с последующей дополнительной обработкой [1, 43].
Технология торцевой раскатки предназначена для изготовления осесимметричных деталей из прутковых или трубных заготовок [2, 34; 3, 19; 4, 27]. Эта технология является представителем процессов с локальной деформацией обрабатываемого металла. При этом в контакте с деформирующим инструментом находится только часть заготовки, что снижает площадь контакта и величину контактных напряжений, и, соответственно, необходимое усилие деформирования
Наибольшее распространение получили процессы торцевой раскатки в горячем состоянии. В этом случае пластичность металла выше, формообразование происходит при малом технологическом усилии. Однако процессы горячего деформирования требуют значительных расходов на нагрев, а получаемые детали покрыты окалиной и требуют последующей механической обработки. Поэтому применение этих процессов не столь эффективно в промышленности. Большими преимуществами обладает холодная торцевая раскатка, не требующая нагрева и характеризуемая высокой точностью и хорошим качеством обрабатываемых поверхностей. Естественно, что при холодной раскатке технологическое усилие будет выше, чем при горячей раскатке, а пластичность деформируемого металла ниже, что предъявляет более высокие требования к их анализу [5, 35; 6, 860; 7, 44].
В работе исследованы процессы торцевой раскатки на машине, в которой
используется конический валок с углом наклона валка 10-150 (Рис. 1). Наиболее простой тип
© Аксенов Л.Б., Кункин С.Н., 2015 г.
машины с приводом, вращающим заготовку, и валками, получающими движение от заготовки за счет сил трения на контактной поверхности. Машины, работающие по этому варианту, имеют ряд преимуществ:
• центр масс верхнего инструмента не вращается относительно вертикальной оси и,
соответственно, процесс деформирования можно интенсифицировать: путем увеличений
скорости вращения заготовки, угла наклона инструмента и величины обжатия заготовки за один оборот;
• уменьшаются требования к жесткости станины и к фундаменту;
• снижается уровень шума и опасность усталостных разрушений элементов конструкции ввиду снижения низко- и высокочастотных вибраций.
Рис. 1. Схемы машины для холодной торцевой раскатки с коническим валком: 1 - ползун; 2 -подшипниковый узел; 3 - привод вращения; 4 - станина; 5 - привод перемещения; 6 - привод наклона валка; 7 - поперечный ролик; 8 - выталкиватель)
Взаимное перемещение раскатного валка и заготовки вдоль ее оси вращения может осуществляться путем перемещения под действием осевой силы только раскатных валков, только перемещения заготовки или их совместного перемещения.
Раскатную машину можно условно разбить на два технологических узла - верхний и нижний. Нижний узел содержит шпиндель с приводом вращения заготовки, подшипниковые узлы и выталкиватель. Верхний узел имеет привода поперечного перемещения валка относительно оси заготовки; вращения валков и изменения угла наклона конического валка. Привод раскатного валка необходим, когда верхний узел валка (включая шпиндель и подшипниковые узлы) обладает большой массой и инерционностью.
В случае раскатки фланцев из тонкостенных труб (например, с толщиной стенки х = 3 мм) небольшого диаметра в начальный момент раскатки площадь контакта валков с такой заготовкой имеет минимальную величину и трение на контакте велико. Данное явление может приводить к двум отрицательным последствиям:
1) процесс раскатки становится невозможным, так как заготовка теряет устойчивость и сминается коническим валком (Рис. 2) из-за недостаточности сил трения для осуществления отбортовки заготовки в начальной стадии процесса раскатки.
2) металл налипает на валок, что приводит к ухудшению поверхности раскатываемой заготовки и снижению стойкости инструмента. Это явление зависит не только от технологических параметров процесса раскатки, но и от материала раскатываемой заготовки.
Рис. 2. Раскатанная заготовка с дефектом (складка) вызванным потерей устойчивости трубной
заготовки
Возможности управления течением металла в процессах раскатки очень ограничены. Различными видами применяемого инструмента (поперечный валок, раскатные валки с ребордой, оправки) удается ограничивать течение металла в определенных направлениях и после заполнения перенаправить металл в направлении, где формирование детали еще не завершилось [8, 388; 9, 641]. Такая технология требует значительных усилий, так как большая часть металла в конечной стадии формирования детали представляет собой жесткую зону с напряженным состоянием близким к всестороннему сжатию.
Эффективнее влиять на направление движения металла, используя изменение направления сил трения, действующих на поверхности контакта раскатываемой заготовки с деформирующим валком [10, 34].
Добиться изменения направления сил трения можно смещая цилиндрические валки относительно традиционного их расположения. Так для операции получения наружных фланцев отбортовкой требуется течение металла наружу заготовки. Для направления сил трения в требуемую сторону при отбортовке наружных фланцев раскаткой цилиндрические валки следует располагать с некоторым смещением 5 относительно поперечной оси заготовки (Рис. 3).
Рис. 3. Отбортовка трубной заготовки раскаткой со смещенным коническим валком
На поверхности контакта деформируемой заготовки с раскатным валком действуют два вида сил трения, оказывающих влияние на процесс формообразования раскатываемой детали. Во-первых, это силы трения на контактной поверхности, обусловленные формообразованием фланца, направленные к центру заготовки и тормозящие течение металла в радиальном направлении. Во-вторых, это силы трения, обусловленные скольжением
раскатного валка по поверхности заготовки в силу разности окружных скоростей валка и заготовки.
Смещение вершины конического валка существенно изменяет направление сил трения на контактной поверхности и облегчает течение металла в радиальном направлении. Зависимость направления сил трения на контактной поверхности заготовки от величины смещения вершины раскатного конического валка приведена на рис. 4. Рекомендуемые значения смещения раскатного конического валка для реализации стабильной отбортовки составляют 8 = (0,1...0,4)R и зависят от соотношения толщины и диаметра трубной заготовки, а также от материала заготовки.
Рис. 4. Зависимость направления сил трения на контактной поверхности заготовки от величины смещения вершины раскатного конического валка: а. 8 = 0; б. 8 = 0,3R
В результате применения технологии раскатки со смещенным валком удалось реализовать устойчивый бездефектный процесс отбортовки. Налипания металла на валки в процессе раскатки не происходит, что позволяет использовать раскатные машины с пассивным движением раскатных валков. При этом не требуется внутренняя оправка, а фланец получается с толщиной фланцевой части практически не отличающейся от толщины стенки исходной трубной заготовки (Рис. 5).
Рис. 5. Фланцы для труб, полученные раскаткой-отбортовкой со смещенным коническим
валком
Приведенный метод управления силами трения в процессе раскатки может быть использован при раскатке фланцев по другим схемам, например, осадки и радиального выдавливания.
Выводы
• Приведенная технология торцевой раскатки со смещенными валками обеспечивает устойчивый процесс отбортовки. Потери устойчивости заготовки и налипания металла на валки не происходит, что позволяет использовать раскатные машины с пассивным движением раскатных валков и отказаться от использования внутренней оправки.
• Фланец, изготовленный раскаткой-отбортовкой, получается с толщиной фланцевой части практически не отличающейся от толщины стенки исходной трубной заготовки, что дает возможность производить их из труб, для соединения которых он предназначен.
• Изменение положения конического валка относительно оси заготовки позволяет
управлять направлением сил трения на контактной поверхности. Это обстоятельство может быть использовано при раскатке фланцев по другим схемам, например, осадки и
радиального выдавливания.
Литература
1. Третьюхин В.В.Закрытая штамповка методом высадки с выдавливанием. КШП. ОМД, 2010, № 6 с. 43 - 45.
2. Л.П. Семенова, А.А. Семенов, А.Н. Пасько Формообразование наружных утолщений на стенках трубчатых заготовок. КШП. ОМД, 2010, № 9 с.33 - 37.
3. Гуринович В.А., БаландинЮ.А., ГурченкоП.С., КолпаковА.С., ЖарковЕ.В., ИсаевичЛ.А., СидоренкоМ.И. Торцовая раскатка деталей фланцевого типа. Журнал «Автомобильная промышленность» 2005. №9.
4. Сурков В. А., Корякин Н. А., Галимов Э. Р. Штамповка обкатыванием кольцевых и фланцевых заготовок // Заготовительные производства в машиностроении. — 2005, № 7, с. 27-29.
5. Аксенов Л.Б., Кункин С.Н., Елкин Н.М. Торцевая раскатка фланцевых деталей трубных соединений «Металлообработка», научно-производственный журнал, №3 (63), 2011 г., стр. 3136.
6. Аксенов Л.Б., Кункин С.Н. Технология изготовления раскаткой осесимметричных деталей с фланцем. Современное машиностроение. Наука и образование, материалы Международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург.- СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2013. с. 858-866.
7. А.Н. Леванов. Методика испытаний на контактное трение в процессах обработки металлов
давлением. Журнал «Кузнечно -штамповочное производство. Обработка материалов
давлением», № 3, 2013 с. 43-47.
8. J. Nowak, L. Madej, S. Ziolkiewicz, A. Plewinski, F. Grosman, M.Pietrzyk. Recent development in orbital forging technology. Int J Mater Form (2008) Suppl 1:387-390.
9. Groche P., Fritsche D., Tekkaya E.A., Allwood J.M., Hirt G., Neugebauer R. Incremental bulk metal forming. Annals of the CIRP, 56, 2007, 635-656.
10. Xinghui Han, Lin Hua. Friction behaviors in cold rotary forging of 20CrMnTi alloy. Tribology International, 55 (2012): 29-39.
