Способ формирования внутренних цилиндрических поверхностей в металлических заготовках, имеющих сквозное отверстие

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам формирования внутренней цилиндрической поверхности на длинномерных изделиях, в том числе и на бурильных трубах. Сущность изобретения: способ формирования внутренней цилиндрической поверхности, при котором формирование упрочненного слоя производят частичным заполнением свободного объема отверстия материалом заготовки с последующей раздачей выдавленного материала. После приложения осевого усилия сжатия к упроченному слою, осуществляют вращение заготовки, вызывая оплавление обрабатываемого материала по поверхности сдвига. 4 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам формирования внутренней цилиндрической поверхности на длинномерных изделиях, в том числе и на бурильных трубах.

Ресурс работы бурильных труб, а также эффективная их эксплуатация во много определяется качеством выполнения внутренних цилиндрических поверхностей. Существующие отечественные технологические процессы получения бурильных труб не предусматривают финишных операций по повышению качества внутренних цилиндрических поверхностей.

В зарубежной практике финишные операции по улучшению качества внутренних цилиндрических поверхностей применительно к бурильным трубам связаны с нанесением покрытий.

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

Известен способ формирования внутренних цилиндрических поверхностей, при котором в заготовке, имеющей сквозное отверстие, путем выдавливания 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] Разогрев обрабатываемого материала вращающимся инструментом, являясь вредным сопутствующим фактором, весьма широко изучен в процессах механической обработки резанием. Замена же режущего инструмента на дорн в принципе приводит только к увеличению площади контакта между кольцевой поверхностью дорна и пояском обрабатываемого материала. Вместе с тем создание больших температур в обрабатываемом материале сопряжено с необходимостью придания дорну большой по величине окружной скорости. Последнее естественно снижает номенклатуру изделий, и в первую очередь не включает длинномерные изделия, например бурильные трубы.

Вторым фактором, препятствующим применимости известного способа, является массоперенос обрабатываемого материала на поверхность дорна. В результате такого налипания получение высококачественных поверхностей на длинномерных изделиях практически невозможно.

Известен также способ формирования внутренней цилиндрической поверхности в металлической заготовке, имеющей сквозное отверстие, при котором в пределах части его длины путем пластического сжатия материала по периметру отверстия, заполняя свободный объем последнего, выполняют упрочненный слой с обеспечением радиального давления на рабочей поверхности и в последующем формируют цилиндрическую поверхность посредством осевого сдвига упрочненного слоя [2] Известный способ позволяет формировать высококачественные внутренние цилиндрические поверхности на листовых заготовках, имеющих относительно небольшие диаметры отверстий. Однако для заготовок, имеющих относительно большие диаметры отверстий, на этапе формирования упрочненного слоя невозможно обеспечить радиальное давление на рабочей поверхности из-за неполного заполнения свободного объема отверстия. Кроме того, осуществить сдвиг на длинномерной заготовке, например, бурильной трубе с длиной 8000-11000 мм энергетически весьма сложно.

Целью изобретения является создание способа формирования внутренней цилиндрической поверхности в металлической заготовке, имеющей сквозное отверстие, при котором в пределах части его длины путем пластического сжатия материала заготовки по периметру отверстия, заполняя свободный объем последнего, выполняют упрочненный слой с обеспечением радиального давления на рабочей поверхности и в последующем формируют цилиндрическую поверхность посредством осевого сдвига упрочненного слоя, при этом формирование упрочненного слоя производят частичным заполнением свободного объема материалом заготовки с последующей раздачей выдавленного материала, а после приложения осевого усилия сжатия к упрочненному слою осуществляют вращение заготовки, сопровождающееся оплавлением материала по поверхности сдвига.

Осуществлению предлагаемого способа формирования внутренней цилиндрической поверхности в металлической заготовке, имеющей сквозное отверстие, позволяет обеспечить требуемое ее качество.

Это объясняется тем, что для длинномерных заготовок, имеющих отверстие относительно большого диаметра, предлагается формировать упрочненный слой обрабатываемого материала за два этапа. На первом этапе осуществляют пластическое сжатие обрабатываемого материала по периметру отверстия, вызывая его течение в направлении оси последнего. В результате формируется поверхность сдвига и имеет место частичное заполнение свободного объема отверстия с образованием наплыва из выдавленного материала. Для обеспечения радиального давления заданного уровня на поверхности сдвига осуществляют раздачу, прикладывая радиальное давление к внутренней поверхности наплыва.

Далее прикладывают осевое усилие сжатия к торцевой поверхности упрочненного слоя.

Формирование высококачественной внутренней цилиндрической поверхности предшествует этап оплавления обрабатываемого материала по поверхности сдвига путем вращения заготовки.

Под действием осевого сжимающего усилия при условии жидкостного трения упрочненный слой приобретает осевое перемещение. В результате перемещения упрочненного слоя имеет место выдавливание оплавленного материала на формируемую цилиндрическую поверхность заготовки, причем упрочненный слой осуществляет выглаживающее действие оплавленного материала на формируемой поверхности. Следует подчеркнуть, что быстрому охлаждению обрабатываемого материала на формируемой поверхности способствует последующий ее контакт с поверхностью относительно холодного инструмента, посредством которого производили раздачу выдавленного обрабатываемого материала в процессе образования упрочненного слоя.

Сочетание двух движений заготовки (вращательное) и упрочненного слоя (линейное) при быстром теплоотводе позволяет легко достичь стабилизации процесса формирования высококачественной цилиндрической поверхности.

На фиг.1 показано исходное положение бурильной трубы и инструмента перед осуществлением процесса пластического сжатия материала трубы по периметру отверстия; на фиг.2 окончание стадии процесса осевого пластического сжатия материала трубы по периметру отверстия; на фиг.3 стадия раздачи выдавленного материала с обеспечением радиального давления р на рабочей поверхности упрочненного слоя; на фиг.4 стадия формирования высококачественной цилиндрической поверхности.

Вариант осуществления способа формирования внутренней цилиндрической поверхности состоит в следующем.

Длинномерную заготовку 1 со сквозным отверстием d, например бурильную трубу из сплава Д16Т, устанавливают на роликовых опорах 2. Со стороны свободного конца заготовки 1 по ее внешнему диаметру размещают прижим 3, имеющий отверстие диаметром D, превышающим диаметр d отверстия в заготовке 1. В отверстие прижима 3 устанавливают по посадке движения пуансон 4 (фиг.1).

Реализация изобретения осуществляется следующим образом.

При воздействии импульсным усилием P_τ на торец пуансона 4 имеет место пластическое сжатие материала заготовки 1. В силу замкнутости деформируемого объема имеет место течение материала заготовки 1 в направлении ее оси. При этом на заключительной стадии процесса выдавливания обрабатываемого материала формируется поверхность сдвига с образующей "аб". Следует отметить, что выдавливаемый материал в результате пластического деформирования упрочняется (фиг.2).

Затем производят замену пуансона 4 на ступенчатый пуансон 5. Процедура замены пуансонов предусматривает, что при установке ступенчатого стержня 5 в отверстие заготовки 1, его меньшая ступень производит радиальную раздачу выдавленного материала и, как следствие, по поверхности сдвига формируется поле упругих напряжений (фиг.3). Причем большая ступень пуансона 5 устанавливается в ступенчатое отверстие заготовки 1 беззазорно.

Далее к ступенчатому пуансону 5 прикладывают осевое усилие сжатия, обеспечивая давление Р на кольцевой поверхности упрочненного слоя. Причем величина последнего рассчитывается из выражения Р>τ_сдв· где τ_сдв напряжение сдвига по рабочей поверхности упрочненного слоя τ_сдв≈0,5σ_0,2 σ_0,2 предел текучести обрабатываемого материала; Fконуса площадь, образуемая поверхностью сдвига; Fкольца кольцевая поверхность торца упрочненного слоя.

После этого осуществляют вращение заготовки 1 в опорах роликах 2, на первоначальном этапе этого вращения по поверхности сдвига с образующей "аб" совершается работа по проворачиванию трубы относительно неподвижного упрочненного слоя.

Поскольку вращение заготовки 1 проводится в условиях относительно больших угловых скоростей, то процесс теплообразования по поверхности сдвига вызывает оплавление обрабатываемого материала.

С этого момента от приложенного осевого усилия ступенчатый пуансон 5 приобретает осевое перемещение.

Последовательное оплавление обрабатываемого материала с быстрым его охлаждением от контакта чистовой поверхности заготовки 1 с боковой поверхностью ступенчатого пуансона 5 и предопределяет формирование мелкодисперной структуры, отличающейся высокими механическими характеристиками прочности.

Технологическими параметрами, определяющими технологический процесс, являются физико-механические и теплофизические свойства обрабатываемого материала; Степень деформации обрабатываемого материала при формировании упрочненного слоя;
величина радиального давления, прикладываемого к выдавленному в отверстие заготовки материалу;
величина осевого усилия сжатия, прикладываемого к поверхности упрочненного слоя;
угловая скорость вращения длинномерной заготовки.

В отработке технологических режимов процесса формирования внутренней цилиндрической поверхности использовалась бурильная труба из сплава Д16Т с геометрическими размерами в поперечном сечении 148х125 мм.

Для образования упрочненного слоя использовалась магнитно-импульсная установка МИУ-30, разгоняемая ударником массой 4,5 кг до скоростей 20 м/с. При этом односторонний припуск (полуразность диаметров (D-d)/2) составлял 1,5 мм. Раздачу выдавленного материала выполняли запрессовкой ступенчатого пуансона, обеспечивающего величину радиального давления в пределах 0,5 σ_0,2.

Осевое нагружение упрочненного слоя первоначально проводили с помощью гидравлического пресса, позволяющего развивать усилие до 6 МН. С момента оплавления обрабатываемого материала осевое нагружение осуществлялось с помощью электродвигателя. Вращение трубы проводили с угловой скоростью ω 40 1/c.

Оценка качества внутренней цилиндрической поверхности трубы посредством профилографа-профилометра П-201 позволила установить шероховатость стенок в пределах
R_a (0,32-0,39)
Металлографическими исследованиями было установлено упрочнение обрабатываемого материала в приповерхностном слое толщиной до 0,15 мм.

Изобретение применимо при формировании высококачественных внутренних цилиндрических поверхностей для различных отраслей машиностроения.

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВКАХ, ИМЕЮЩИХ СКВОЗНОЕ ОТВЕРСТИЕ, при котором в пределах части длины заготовки путем пластического сжатия обрабатываемого материала по периметру отверстия с заполнением свободного его объема, обуславливая образование поверхности сдвига за счет течения материала в направлении оси отверстия, формируют упрочненный слой с обеспечением радиального давления по поверхности сдвига и в последующем осуществляют формирование цилиндрической поверхности отверстия посредством усилия осевого перемещения упрочненного слоя, отличающийся тем, что формирование упрочненного слоя осуществляют с частичным заполнением свободного объема отверстия материалом заготовки, радиальное давление на поверхность сдвига создают раздачей упрочненного слоя, а после приложения к последнему осевого усилия осуществляют вращение заготовки, вызывая оплавление обрабатываемого материала по поверхности сдвига.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4