Способ получения гильз

Способ получения гильз

Реферат

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и касается технологии производства бесшовных труб, в частности, с применением винтовой прокатки.

Известны способы производства бесшовных труб, включающие получение полой гильзы и последующую раскатку гильзы в трубу [1].

Известен способ получения гильз путем центробежного литья [1]. Основные недостатки способа связаны с существенным ограничением длины отливаемых гильз и необходимостью сплошной обдирки внутренней и внешней поверхности для удаления дефектов литья.

Известен способ получения гильз из слитков, который включает нагрев слитка и прошивку его в прошивном стане винтовой прокатки [1]. Недостатками этого способа являются низкое качество поверхности гильз, низкая точность по геометрии сечения и кривизне, высокий уровень технологических отходов, а также практическая невозможность получения качественных гильз диаметром менее 140...200 мм.

Известен способ получения гильз, включающий, получение трубной заготовки продольной прокаткой или ковкой, повторный нагрев заготовки и прошивку ее в полую гильзу на двух валковом прошивном стане винтовой прокатки [2]. Основными недостатками известного способа являются высокий уровень суммарных технологических отходов, и значительные энергетические затраты. Недостатки обусловлены тем, что способ предполагает два самостоятельных прокатных передела. Передел слитка в трубную заготовку прокаткой на трубозаготовочном стане и передел трубной заготовки в гильзу прошивкой на прошивном стане. Каждый из переделов включает нагрев, прокатку, удаление концевой обрези. Энергозатраты и отходы каждого передела, суммируясь, определяют существенно завышенный сквозной уровень. Для каждого передела требуется специализированное прокатное оборудование.

Кроме того, металл трубной заготовки, полученной продольной прокаткой в калибрах, имеет выраженную структурную полосчатость с осевой ориентацией волокон по всему поперечному сечению заготовки. Такая структура неблагоприятна для удержания оправки на оси прошивки и получения стабильной точности по длине гильзы. При практически неизбежном возникновении отклоняющих усилий на оправку (связанных с неравномерностью нагрева, кривизной и овальностью заготовки, неточностью зацентровки, несовпадением осей заготовки и прошивки при задаче в калибр и др.) равномерная осевая полосчатость структуры не в состоянии создать удерживающую реакцию обратного знака. Генерируются колебания оправки повышенной амплитуды. Возрастает разностенность гильз.

Попытка исключить первый передел путем перехода на непрерывнолитую заготовку, в рамках известного способа, не дает положительного результата.

Непрерывнолитые заготовки характеризуются радиально ориентированным транскристаллитным строением, развитой пористостью структуры металла в центральной зоне и периферийными подкорковыми дефектами. При прошивке таких заготовок в двухвалковом стане происходит вскрытие полости перед носком оправки, переходящее во внутренние плены и трещины. Подкорковые дефекты и радиальная ориентация крупных транскристаллитов, подвергаясь действию пластического изгиба в межвалковых зазорах, являются источниками поверхностных плен.

Кроме того, радиальная ориентация крупных транскристаллитов не создает стабилизирующей реакции на оправку при возникновении отклоняющих воздействий.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ [3] получения гильз винтовой прокаткой, включающий обжатие нагретой заготовки в трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи, имеющими обжимной участок, и последующую прошивку заготовки в калибре, образованном оправкой, направляющим инструментом и валками, развернутыми на угол подачи, и имеющими участок прошивки.

Основными недостатками известного способа являются низкое качество внутренней и наружной поверхности труб, высокий уровень брака по пленам, низкая точность геометрических размеров, особенно при использовании непрерывнолитой заготовки.

Согласно описанию прототипа обжатие заготовки в трехвалковом калибре ведется при относительно невысоких частных обжатиях, соответствующих углам подачи не более 10°. Для таких режимов трехвалковой винтовой прокатки характерна значительная неравномерность деформации. Интенсивная пластическая деформация локализуется в тонком периферийном слое. В центральную зону деформация практически не проникает. На границе зоны проникновения деформации образуется разрыв скоростей течения металла, создающий кольцевое разрыхление металла с опасностью перехода в кольцевое разрушение. Т.е., перед прошивкой деформируемый металл не только не подвергается уплотнению в центральной зоне, но и испытывает дополнительное кольцевое разрыхление на периферии.

В осевой зоне очага деформации двухвалкового прошивного стана имеет место разноименная схема напряжений с двумя растягивающими компонентами. Вращение заготовки создает циклическое чередование сжимающих и растягивающих напряжений для физических отрезков металла, совпадающих с главными направлениями. Поперечные и осевые растягивающие напряжения, направленные поперек линии действия напряжений сжатия от валков, инициируют процесс образования и накопления микроповреждений в центральной зоне. При прошивке непрерывнолитой заготовки, имеющей характерную центральную пористость усадочного происхождения, перед носком оправки вскрывается осевая полость. Поверхность вскрытой полости окисляется и, раскатываясь на оправке, переходит в плены на внутренней поверхности трубы.

Поверхность и периферия заготовки подвергается при прошивке знакопеременному пластическому изгибу, обусловленному овализацией двухвалкового очага деформации. Радиальные напряжения растяжения, действующие по линии большей оси овализированного сечения в конусе прошивки, способствуют дальнейшему развитию кольцевого разрыхления. Подвергаясь пластическому изгибу периферийный слой стремится оторваться от тела заготовки. При использовании непрерывнолитого металла с низкой технологической пластичностью вероятность полного разрыва периферийного слоя и отрыва его от металла центральной зоны становится критической. Образование неустранимых поверхностных разрывов в этом случае неизбежно.

Кроме того, наличие кольцевого разрыхления отрицательно влияет на точность получаемых гильз. Двухвалковая прошивка имеет выраженный эффект к естественному самоцентрированию оправки в очаге деформации, создаваемый схемой приложения усилий от валков и характером деформации. Кольцевое разрыхление металла существенно ослабляет передачу деформирующих усилий в зону прошивной оправки и, одновременно, притягивает ее к себе. Эффект самоцентрирования практически исчезает. Точность гильз существенно падает.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения гильз винтовой прокаткой, включающем обжатие нагретой заготовки в трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи, имеющими обжимной участок, и последующую прошивку заготовки в калибре, образованном оправкой, направляющим инструментом и валками, развернутыми на угол подачи, имеющими участок прошивки, согласно изобретению обжатие заготовки в трехвалковом калибре ведут при угле подачи валков, составляющем (1,4...4,0), угле наклона образующей обжимного участка к оси прокатки, составляющем (1,3...5,6), и с относительным обжатием, составляющем (1,6...6,2), соответственно от угла подачи, угла наклона образующей участка прошивки валков к оси прокатки и относительного обжатия перед носком оправки при прошивке.

Настоящее изобретение решает задачу снижения технологических отходов, связанных с образованием внутренних и наружных плен, и повышения точности гильз, получаемых винтовой прокаткой, преимущественно из непрерывнолитых заготовок.

Способ реализуется следующим образом. Исходная заготовка, преимущественно непрерывнолитая, нагревается до температуры горячей пластической деформации и подается к трехвалковому стану винтовой прокатки. Заготовка задается и обжимается с диаметра d₀ на диаметр d₁ в трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи β_обж, имеющими обжимной участок с углом наклона образующей к оси прокатки α_обж. При этом относительное обжатие составляет ε_обж=(d₀-d₁)/d₀. После завершения обжатия и выхода деформированной заготовки из валков, она передается к двухвалковому прошивному стану и прошивается в калибре, образованном оправкой, направляющим инструментом и валками, развернутыми на угол подачи β_прош, имеющими участок прошивки с углом наклона образующей к оси прокатки α_прош. Прошивка деформированной заготовки в гильзу выполняется с обжатием перед носком оправки ε_прош=(d₁-d_но)/d₁ (где d_но - расстояние между валками в сечении перед носком оправки). В качестве направляющего инструмента могут применяться линейки, диски или ролики. Обжатие заготовки и последующая прошивка ведутся с соблюдением определяющих соотношений способа:

Технический эффект, реализуемый в предлагаемом способе и обеспечивающий достижение технического результата, состоит в создании управляемой взаимосвязи между схемами деформации при трехвалковом обжатии и двухвалковой прошивке. Материальным носителем искомой связи является структурное строение металла, формируемое при трехвалковом обжатии и наилучшим образом приспособленное для бездефектной деформации при прошивке.

Обжатие непрерывнолитой заготовки винтовой прокаткой в трехвалковом калибре сопровождается созданием структурного строения металла с особыми геометрическими и металлофизическими характеристиками.

Геометрически структурные волокна, ориентируясь вдоль винтовых траекторий истечения металла, приобретают форму объемных винтовых линий (спиралей). Шаг винтовых линий примерно постоянен по сечению обжатой заготовки, а угол подъема изменяется от минимального 12...25° на поверхности до максимального 90° на оси заготовки. Макросдвиговая деформация скручивания, действуя на фоне общего уплотнения линейной вытяжкой (обжатием), качественно усиливает результирующий эффект проработки структуры металла. Волокна структурно-фазовых составляющих, приобретая форму пространственных спиралей, удлиняются и утоняются в поперечном сечении. Объемная плотность структурных элементов, теснота (площадь соприкосновения) и прочность связи их между собой повышаются. Переменный угол подъема структурных спиралей создает максимально высокую устойчивость такого строения к действию растягивающих напряжений всех направлений: осевых, радиальных и тангенциальных.

Металлофизический характер проработки структуры от винтового истечения и скручивающих макросдвигов имеет различную интенсивность по сечению заготовки. Утонение структурных волокон, обусловленное их удлинением, переходит в стадию дробления волокон на практически изотропные мелкодисперсные частицы, не связанные между собой (взвешенные в матричной основе). Структурная анизотропия практически исчезает на микроуровне, а на макроуровне представляется в виде спиралезованного порядка расположения отдельных частиц. В кольцевой периферийной зоне удлинение спиралезованных волокон и, соответственно, степень дополнительной вытяжки достигают максимального значения, в центральных слоях - наименьшего. Соответственно, металл в наружной кольцевой зоне имеет максимально раздробленное, мелкодисперсное строение с минимальной анизотропией. В направлении к центру раздробленность структуры и пластические свойства несколько уменьшаются, анизотропия возрастает. При этом центральная пористость, уменьшаясь на 1...2 балла, либо устраняется полностью, либо приобретает строгие и контролируемые ограничения в радиальных размерах.

Такая структура имеет новое качество, состоящее в максимальной приспособленности для прошивки:

- без образования дефектов на внутренней и внешней поверхности гильзы;

- с высокой точностью геометрических размеров.

Целенаправленно созданная при обжатии структура металла является фактором активного деформирующего действия при последующей прошивке. Периферийный слой металла, с мелкораздробленной структурой, становится по отношению к уплотненным центральным слоям высокопластичной оболочкой. Оболочка существенно смягчает разноименную схему напряженного состояния в центральной зоне за счет создания дополнительных напряжений всестороннего сжатия. При такой схеме повышается технологическая пластичность центральных слоев и полностью подавляется склонность металла к вскрытию осевой полости перед носком оправки. Внутренние плены не образуются.

Винтовые волокна мелкодисперсной структуры на поверхности обжатой заготовки, благоприятно ориентированы (под небольшим углом 12...25°) по отношению к тангенциальным и радиальным растягивающим напряжениям, сопровождающим овализацию сечения и пластический изгиб внешней поверхности заготовки в конусе прошивке. Прошивка проходит без образования дефектов на внешней поверхности гильзы.

Кроме того, высокопластичная внешняя оболочка, выполняя роль центрирующей “втулки”, стабилизирует строго осевое положение оправки, устойчивое к действию отклоняющих усилий различного происхождения. Точность гильз по разностенности и наружному диаметру повышается.

Необходимым условием реализации описанных эффектов пластического формоизменения является существенный отличительный признак способа, выраженный совокупностью (1-3), устанавливающий соразмерность между параметрами обжатия и прошивки.

Совокупность (1-3) представляет собой результат оптимизации параметров способа по критерию максимальной технологической пластичности в условиях прошивки непрерывнолитой заготовки с предварительно спиралезованной структурой. А также по условию снижения разностенности гильз.

Оптимизация достигнута путем прямых экспериментов по отработке способа на непрерывнолитых заготовках из различных сталей.

Формоизменение металла в процессах винтовой прокатки характеризуется поцикловым развитием, при котором суммарное обжатие создается в результате ряда частных обжатий за цикл деформации (за 1/3 и за 1/2 оборота заготовки соответственно для трехвалковой и двухвалковой прокатки). Величина частного обжатия за цикл определяется углами α и β. К параметрам суммарного обжатия относится результирующее обжатие по диаметру ε_обж и ε_прош. Параметры α, β и ε имеют совокупное, взаимосвязанное влияние на процесс получения гильз.

Несоблюдение соотношений совокупности (1-3) ведет к утрате описанных выше эффектов, и цель способа не достигается. В результате прямых экспериментов установлено: при нарушении хотя бы одного из условий (1-3) снизу, т.е. при β_обж/β_прош<1,4; α_обж/α_прош<1,3; ε_обж/ε_прош<1,6, спиралезация структуры периферийных и уплотнение центральных слоев металла при обжатии не получают достаточного развития для бездефектной деформации в процессе прошивки при соответствующих параметрах. Одновременно развивающаяся кольцевая рыхлость ослабляет связь периферийной оболочки с центральными слоями. Действие оболочки, как активного деформирующего инструмента при прошивке, утрачивается.

Кроме того, при несоразмерно высоких β_прош, α_прош снижается стабильность первичного захвата и возрастает усилие металла на оправку, что уменьшает точность гильз. В целом, процесс приобретает недостатки, свойственные прототипу: на внутренней и внешней поверхности гильз образуется недопустимое количество плен, падает точность геометрических размеров гильз.

Потеря технического эффекта при β_обж/β_прош>4,0; α_обж/α_прош>5,6; ε_обж/ε_npoш>6,2 обусловливается чрезмерным вытеснением металла в зазоры между валками, ухудшением условий вращения заготовки, пробуксовкой металла относительно валков. При этом происходит интенсивное повреждение поверхности раската, одновременно с потерей стабильности процесса и ухудшением проработки структуры по всему объему. Также ухудшаются условия вторичного захвата заготовки при прошивке, возрастает опасность образования вскрытия осевой полости.

Наиболее полной реализации положительного технического эффекта способа содействуют также дополнительные связи между абсолютными значениями параметров:

β_обж+β_прош=25...40°; α_обж+α_прош=12...25°;

ε_обж+ε_прош=20...60%,

которым соответствует процесс винтовой прокатки в области повышенных углов подачи, конусности и относительных обжатий. Положительное влияние имеет также скручивание металла в очаге деформации, которое создается сочетанием заявленных углов наклона α с углами раскатки валков 5...15°. Эти режимы способствуют общему повышению технологической деформируемости заготовок и усилению эффекта спиралезации структуры металла.

В зависимости от исходного состояния непрерывнолитых заготовок по центральной пористости и марки стали, определяющие соотношения (1...3) допускают более точную конкретизацию. Наиболее распространенные состояния и марки могут быть разделены на три группы:

1 группа. Заготовки с наиболее плотной структурой и с центральной пористостью не более 1 балла (по ТУ 14-1-4992-91). Такая структура обычно образуется на низкоуглеродистых сталях и заготовках, изготовленных с применением электромагнитного перемешивания. Предварительно деформированные трубные заготовки. Заготовки из сталей с наиболее легким преобразованием литой структуры в деформированную (низкоуглеродистые марки стали). Для таких заготовок целесообразна реализация способа с применением режимов вблизи нижней границы определяющих соотношений (1...3)

β_обж/β_прош=(1,4...2,2);

α_обж/α_прош=(1,3...2,8);

ε_обж/ε_прош=(1,6...3,2).

2 группа. Заготовки с менее плотной структурой и центральной пористостью 1...2 балла. Заготовки из сталей с затрудненной проработкой литой структуры (30ХГСА, 40Х, 40ХН). Технический эффект на таких заготовках наиболее полно реализуется при больших значениях отношений углов β и α и обжатий ε.

β_обж/β_прош=(2,2...3,1);

α_обж/α_прош=(2,8...4,2);

ε_обж/ε_прош=(3,2...4,8).

3 группа. Заготовки с центральной пористостью 2...3 балла и околопредельной пористостью 3,5...4,0 балла предпочтительно деформировать при максимальных отношениях:

β_обж/β_прош=(3,1...4,0);

α_обж/α_прош=(4,2...5,6);

ε_обж/ε_прош=(4,8...6,4).

В эту же группу входят заготовки из подшипниковых сталей типа ШХ15 с наиболее стойкой литой структурой, требующей для проработки интенсивных режимов деформации.

Способ имеет практически важный сопутствующий технический результат. Максимально пластичный периферийный слой металла и спиралезованное строение, с переменным по сечению углом подъема структурных волокон, придают гильзам чрезвычайно высокую устойчивость к зарождению и развитию трещин, разрывов, расслоений и др. В результате качественно повышается технологическая пластичность металла в процессах последующего пластического деформирования при раскатке гильзы в трубу, калибровке трубы. Специфическое структурное строение металла, наследуемое готовыми изделиями, оказывается весьма приспособленным к устойчивому восприятию обширного ряда самых различных эксплуатационных воздействий, например, более чем в 1,5...1,8 раза повышается стойкость подшипников качения, изготовленных из труб стали ШХ15, деформированной предлагаемым способом. Влияние отношения параметров обжатия и прошивки на состояние поверхности и разностенность получаемых гильз описано в таблице.

Способ реализован на ТПА 50-200 Волжского трубного завода в опытном порядке.

Пример №1. Партия круглых непрерывнолитых заготовок из стали 20 диаметром 156 мм длиной 2500 мм нагревается до температуры 1260°С. Центральная пористость оценивается баллом 0,5 по ТУ 14-1-4992-91. Нагретые заготовки подаются к трехвалковому стану винтовой прокатки и задаются в него. В трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи 15°, имеющими обжимной участок с углом наклона образующей к оси прокатки 8,0°, заготовки обжимаются до диаметра 132 мм со скручиванием вокруг продольной оси. При этом относительное обжатие составляет ε_обж=15,4%. Рабочие валки трехвалкового калибра установлены под углом раскатки 10°. После завершения обжатия и выхода деформированной заготовки из валков, она передается к двухвалковому прошивному стану и прошивается в калибре, образованном оправкой, направляющими линейками и валками, развернутыми на угол подачи 11°, имеющими участок прошивки с углом наклона образующей к оси прокатки 6,0°. Прошивка деформированной заготовки в гильзу выполняется с обжатием перед носком оправки ε_прош=9,5%. Угол раскатки прошивных валков 0°. Обжатие заготовки и последующая прошивка ведутся с соблюдением определяющих соотношений способа вблизи нижнего предела:

β_обж/β_прош=1,4;

α_обж/α_прош=1,3;

ε_обж/ε_прош=1,6.

Получаемые гильзы имеют размер 132×35 мм. Плены на внутренней и наружной поверхности отсутствуют. Разностенность составляет 11%.

Пример №2. Партия круглых непрерывнолитых заготовок из стали 40Х диаметром 196 мм длиной 1500 мм нагревается до температуры 1100°С. Центральная пористость оценивается баллом 1,5 по ТУ 14-1-4992-91. Нагретые заготовки подаются к трехвалковому стану винтовой прокатки и задаются в него. В трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи 21°, имеющими обжимной участок с углом наклона образующей к оси прокатки 12°, заготовки прокатываются с относительным обжатием ε_обж=30% на диаметр 137 мм. Угол раскатки валков 10°. Прокатка идет со скручиванием заготовки в очаге деформации. После завершения обжатия и выхода деформированной заготовки из валков она передается к двухвалковому прошивному стану и прошивается в калибре, образованном оправкой, направляющими линейками и валками, развернутыми на угол подачи 7,5°, имеющими участок прошивки с углом наклона образующей к оси прокатки 3,5°. Прошивка деформированной заготовки в гильзу выполняется с обжатием перед носком оправки ε_пpoш=8%. Угол раскатки валков при прошивке 0°. Обжатие заготовки и последующая прошивка ведутся с соблюдением определяющих соотношений способа:

β_обж/β_прош=2,8;

α_обж/α_прош=3,4;

ε_обж/ε_прош=3,75.

Получаемые гильзы имеют размер 136×28 мм. Плены на внутренней и наружной поверхности отсутствуют. Разностенность составляет 10%.

Пример №3. Партия круглых непрерывнолитых заготовок из стали 20 диаметром 228 мм длиной 1500 мм нагревается до температуры 1100°С. Центральная пористость оценивается предельно допустимым баллом 3,0 по ТУ 14-1-4992-91. Нагретые заготовки обжимаются до диаметра 136 мм в трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи 24°, имеющими обжимной участок с углом наклона образующей к оси прокатки 14°. При этом относительное обжатие составляет ε_обж=40%. Далее прошивается в калибре, образованном оправкой, направляющими линейками и бочковидными валками, развернутыми на угол подачи 6° (угол раскатки равен 0°), имеющими участок прошивки с углом наклона образующей к оси прокатки 2,5°. Прошивка деформированной заготовки в гильзу ведется с обжатием перед носком оправки ε_прош.=6,5%. Обжатие заготовки и последующая прошивка выполняются с соблюдением определяющих соотношений способа на верхней границе:

β_обж/β_прош=4,0;

α_обж/α_прош=5,6;

ε_обж/ε_прош=6,2.

Получаемые гильзы имеют размер 136×37 мм. Плены на внутренней и наружной поверхности отсутствуют. Разностенность составляет 10,5%.

Сопоставление заявленного способа с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии предложенного изобретения критерию “новизна”.

Критерий “изобретательский уровень” удовлетворен неизвестностью совокупности отличительных признаков и неизвестностью эффекта, создающего технический результат, а именно неизвестностью нового качества устойчивого структурного строения металла, получаемого при трехвалковом обжатии и оптимальным образом приспособленного для прошивки при определенных параметрах.

Соответствие критерию “промышленная применимость” следует из непосредственной реализации способа в процессе экспериментальной отработки.

Источники информации

1. Розов Н.В. Производство труб. Справочник, М., Металлургия, 1974.

2. Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Производство стальных труб горячей прокаткой, М., Металлургиздат, 1954.

3. А.с. СССР №772620 “Способ получения гильз”, М. кл. В 21 В 19/04, В 21 В 23/00, опубл. БИ №39, 1980 г.

ТаблицаВлияние отношения параметров обжатия и прошивки на состояние поверхности и разностенность получаемых гильз
Отношение параметров обжатия и прошивки по признакам способа (1-3)	Состояние поверхности гильз	Разностенность гильз, %	Технический результат
βобж/βпрош	αобж/αпрош	εобж/εпрош	внутренней	наружной
1,2	1,1	1,4	Разрывы и плены	Разрывы и плены	13	Не достигается
1,4	1,3	1,6	Дефекты отсутствуют	Дефекты отсутствуют	11	Достигается
2,8	3,4	3,9	Дефекты отсутствуют	Дефекты отсутствуют	10	Достигается
4,0	5,6	6,2	Дефекты отсутствуют	Дефекты отсутствуют	11	Достигается
4,2	5,8	6,4	Разрывы и плены	Разрывы и плены	13	Не достигается

Способ получения гильз винтовой прокаткой, включающий обжатие нагретой заготовки в трехвалковом калибре, образованном валками, развернутыми на угол подачи, имеющими обжимной участок, и последующую прошивку заготовки в калибре, образованном оправкой, направляющим инструментом и двумя валками, развернутыми на угол подачи, имеющими участок прошивки, отличающийся тем, что обжатие заготовки в трехвалковом калибре ведут при угле подачи валков, составляющем 1,4-4,0, угле наклона образующей обжимного участка к оси прокатки, составляющем 1,3-5,6, и с относительным обжатием, составляющим 1,6-6,2, соответственно, от угла подачи, угла наклона образующей участка прошивки валков к оси прокатки и относительного обжатия перед носком оправки при прошивке.