Способ формирования цилиндрических поверхностей

Способ формирования цилиндрических поверхностей

Реферат

 

Использование: при обработке металлов давлением и получении полых изделий типа труб с высококачественной внутренней поверхностью. Сущность: способ формирования цилиндрических поверхностей в металлических заготовках осуществляют путем установки в предварительно полученное отверстие заготовки втулки из пластичного материала. Во втулке формируют упрочненный слой и осуществляют его термопластический сдвиг осевым перемещением вращающегося с возрастающей окружной скоростью инструмента ступенчатой формы. 4 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам формирования плакированных внутренних цилиндрических поверхностей на длинномерных изделиях, в том числе и на бурильных трубах.

В изделиях металлургического производства остро стоит проблема обеспечения высокого качества их поверхностей. Это объясняется тем, что в технологических процессах получения изделий пластическим деформированием заготовок не предусмотрены финишные операции, основанные на процессах нанесения покрытий.

Процессы нанесения неметаллических покрытий весьма дороги, а эффективные технологические процессы формирования внутренних цилиндрических поверхностей с нанесением металлических покрытий в настоящее время не разработаны.

Вместе с тем в отечественной практике применяются технологические процессы формирования рабочих поверхностей, основанные на локальном оплавлении обрабатываемого материала.

Известен способ формирования цилиндрической поверхности, при котором в заготовке, имеющей сквозное отверстие, путем вдавливания при осевом перемещении и вращении инструмента (дорна) обрабатываемый поверхностный слой нагревают трением вращения инструмента до температуры, близкой к температуре плавления, после чего его быстро охлаждают [1] По известному способу формирование поверхностей обеспечивается за счет тепловыделения на контактной поверхности дорн обрабатываемый материал. Однако, учитывая неоднородность структуры обрабатываемого материала, невозможно получение достаточно качественной поверхности, так как не предусмотрено применение плакирующего материала.

Технологическими проблемами также являются налипание расплавленного обрабатываемого материала на относительно холодный дорн, так как применение смазочно-охлаждающих жидкостей исключено; обеспечение достаточно больших скоростей вращения дорна при обработке длинномерных изделий; наличие большого по величине допуска на внутренний диаметр изделия, например бурильной трубы.

Известен также способ формирования цилиндрических поверхностей в металлических заготовках, имеющих сквозное отверстие, при котором в пределах части ее длины путем пластического сжатия выполняют полость с упрочненным слоем в зоне ее концевой части и создают радиальное давление на рабочей поверхности посредством осевого термопластического сдвига упрочненного слоя [2] Известный способ позволяет формировать высококачественные цилиндрические поверхности на листовых заготовках, имеющих относительно небольшие диаметры отверстий.

Локальное оплавление обрабатываемого материала достигается в процессе высокоскоростного сдвига упрочненного слоя, при этом контактная поверхность располагается на границе между упрочненным слоем и исходной недеформированной структурой.

Известной технологией не предусмотрено применение плакирующего материала, что снижает ассортимент изделий. Получение однородной структуры в поверхностном слое длинномерных изделий достаточно сложно.

Технологическим препятствием здесь является осуществление высокоскоростного сдвига упрочненного слоя, учитывая, что длина изделия, например бурильной трубы, колеблется от 8500 до 11000 мм.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в получении широкого ассортимента изделий с однородной структурой в поверхностном слое. Это достигается тем, что в способе формирования цилиндрических поверхностей в металлических заготовках, имеющих сквозное отверстие, при котором в пределах части ее длины путем пластического сжатия выполняют полость с упрочненным слоем в зоне ее концевой части и создают радиальное давление на рабочей поверхности посредством осевого термопластического сдвига упрочненного слоя, предварительно в отверстие заготовки устанавливают втулку из пластичного материала длиной, превышающей длину заготовки, упрочненный слой формируют во втулке, а термопластический сдвиг упрочненного слоя осуществляют осевым перемещением вращающегося с возрастающей окружной скоростью инструмента ступенчатой формы, обеспечивая образование на контактной поверхности втулки и заготовки металлической связи.

Осуществление способа формирования цилиндрических поверхностей в металлических заготовках, имеющих сквозное отверстие, позволяет обеспечить требуемое ее качество путем нанесения пластичного материала заданной толщины на обрабатываемую поверхность за счет того, что для эффективного массопереноса пластичного материала на обрабатываемую поверхность предварительно посредством сжатия пластичного материала создают очаг локального его воздействия на плакируемую поверхность (упрочненный слой). В дальнейшем, вызывая перемещение очага локального воздействия относительно обрабатываемой поверхности, создают по местоположению локального контакта пластичного материала с обрабатываемой поверхностью области интенсивного тепловыделения. Последнее при наличии предварительно созданного радиального локального давления пластичного материала на обрабатываемую поверхность и обеспечивает процесс формирования металлической связи пластичного материала с материалом заготовки.

С целью интенсификации процесса формирования цилиндрической поверхности заготовки, перед термопластическим сдвигом ей сообщают вращательное с возрастающей окружной скоростью движение, согласуя линейную скорость перемещения упрочненного слоя из пластичного материала с окружной скоростью вращения заготовки, достигают при требуемой толщине пластичного материала и качественное его соединение (сварку) с обрабатываемым материалом.

На фиг.1 показано исходное положение технологической оснастки перед формированием упрочненного слоя во втулке из пластичного материала; на фиг.2 стадия окончания процесса формирования упрочненного слоя; на фиг.3 стадия формирования цилиндрической поверхности во втулке из пластичного материала с одновременной сваркой пластичного матеpиала с материалом заготовки; на фиг.4 металлическая заготовка с высококачественной внутренней цилиндрической поверхностью.

Способ осуществляют следующим образом.

В металлической заготовке 1, например, из алюминиевого сплава Д16 с внешним диаметром Д и длиной Н выполнено сквозное отверстие диаметром d. В отверстие заготовки 1 с минимальным зазором установлена втулка 2 из пластичного материала, например из технически чистого алюминия АДО, имеющая диаметр сквозного отверстия d₁ и длину Н₁, причем Н₁> Н. Заготовку 1 со втулкой 2 устанавливают на стол 3, имеющий возможность осевого вращения, и фиксируют прижимом 4 с усилием Р_пр. В прижиме 4 выполнено отверстие диаметром d₂, причем d₂> d, в котором с минимальным зазором установлен ступенчатый пуансон 5.

В отверстие втулки 2 со стороны стола 3 вводят втулку 6 до размещения ее торца в плоскости торца заготовки 1, так что между торцом 6 и торцом большой ступени пуансона 5 образуется свободный объем глубиной (Н₁ Н). При этом малую ступень пуансона 5 свободно устанавливают в отверстие втулки 6 (фиг. 1).

Реализация изобретения осуществляется следующим образом.

При воздействии импульсным усилием P на торец пуансона 5 вызывают его перемещение в направлении заготовки 1. Последнее сопровождается выдавливанием материала втулки 2 в свободный объем между торцами втулки 6 и пуансона 5. В результате во втулке 2 формируется упрочненный слой толщиной h* (фиг. 2). Формирование упрочненного слоя сопровождается образованием поверхности сдвига с радиальным давлением (показано стрелками). Воздействие локального давления сформированного упрочненного слоя обеспечивает требуемый контакт по местоположению упрочненного слоя пластичного материала втулки 2 с материалом заготовки 1. Затем удаляют втулку 6 из отверстия. Далее пуансону 5 сообщают вращательное движение и осевое перемещение. При этом в последнем случае в один из моментов пуансон 5 усилием Р воздействует на упрочненный слой. В силу неподвижности упрочненного слоя в исходном состоянии наблюдается проскальзывание пуансона 5 относительно упрочненного слоя. С развитием сил трения на контактной поверхности пуансон 5 упрочненный слой проскальзывание устраняется и осевое перемещение пуансона 5, одновременно сопровождается его вращательным движением совместно с упрочненным слоем. Как следствие этого вращения имеет место интенсивное тепловыделение по местоположению упрочненного слоя. Сочетание давления с температурой и временем контакта обуславливает сварку пластичного материала втулки 2 с материалом заготовки 1 (фиг.4).

Для упрощения возможно разделение движений. Например, осевое перемещение сообщают пуансону 5, а вращательное движение заготовке 1 путем вращения стола 3. Поскольку в изобретении одновременно реализуются два процесса формирование чистовой поверхности и сварка, то для обеспечения необходимой стабильности их следует осуществлять с возрастающей окружной скоростью стола 3. Последнее прежде всего объясняется изменением площади поверхности сдвига (фиг.3).

Способ прошел опытно-промышленную проверку при формировании цилиндрической поверхности в заготовке из сплава Д16, имеющий внешний диаметр, равный 145 мм, длину 300 мм и диаметр отверстия 29,0 мм.

В качестве пластичного материала был выбран технически чистый алюминий АДО, из которого методом прессования были получены трубы с последующей разрезкой на втулки с геометрическими размерами: внешний диаметр 29,0 мм, толщина стенки 2,0 мм и длина 310 мм. После соответствующей подготовки контактирующих поверхностей втулки и заготовки производили их сборку. Толщина упрочненного слоя, формируемого над торцом заготовки, 8,53 мм. Вращение заготовки осуществляли при возрастающей окружной скорости 500-3000 об/мин. Длительность процесса формирования цилиндрической поверхности составляла от (10-15) мин при длине заготовки в 300 мм.

Металлографические исследования контактной поверхности не выявили каких-либо дефектов в сварном шве, шероховатость поверхности R_а 0,32-0,39.

Затем заготовку подвергали прессованию по известной технологии с получением длинномерных изделий, внутренняя поверхность которых имела низкую шероховатость R_а 0,39 и защитный слой толщиной 0,1 мм из технически чистого алюминия АДО.

Изобретение может быть применено в технологических процессах плакирования с одновременным формированием поверхностей или как подготовительная операция перед получением длинномерных изделий с высококачественной внутренней поверхностью.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ в металлических заготовках, имеющих сквозное отверстие, при котором в пределах части ее длины путем пластического сжатия выполняют полость с упрочненными слоем в зоне ее концевой части и создают радиальное давление на рабочей поверхности посредством осевого термопластического сдвига упрочненного слоя, отличающийся тем, что предварительно в отверстие заготовки устанавливают втулку из пластичного материала длиной, превышающей длину заготовки, упрочненный слой формируют во втулке, а термопластический сдвиг упрочненного слоя осуществляют осевым перемещением вращающегося с возрастающей окружной скоростью инструмента ступенчатой формы, обеспечивая образование на контактной поверхности втулки и заготовки металлической связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4