Способ производства прецизионных труб и радиально-ковочная машина для его осуществления

 

Использование: обработка металлов давлением, преимущественно при изготовлении цилиндров скважинных штанговых насосов. Сущность изобретения: обработку исходной заготовки выполняют за один или несколько переходов радиальной ковкой. На последнем переходе одновременно с ковкой производят выглаживание окончательно сформированного канала дополнительной оправкой. При этом ковку до окончательных размеров трубы выполняют в холодном состоянии. Радиально-ковочная машина для осуществления способа содержит ковочный блок с комплектом бойков и оправку. Оправка для горячей ковки содержит хвостовик для центрирования ее по каналу продеформированной трубы. Оправка для холодной ковки содержит дополнительную выглаживающую оправку с цилиндрическим калибрующим пояском. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, в частности к производству прецизионных труб, и может быть использовано преимущественно при изготовлении скважинных штанговых насосов.

Известен способ изготовления трубных заготовок методом радиальной ковки, например, по публикациям [1] [2] предусматривающий формообразование поковки на длинной подвижной оправке, перемещающейся вместе с поковкой относительно бойков. После завершения процесса ковки готовое изделие снимают с оправки с помощью съемника, оснащенного гидравлическим приводом.

Недостаток способа в ограничении длины обрабатываемой детали (не более 1,5 м). Это обусловлено применением длинной оправки и возможностью съема с нее поковки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ формообразования длинномерных труб на короткой оправке, неподвижно устанавливаемой в зоне действия бойков [3] Недостаток этого способа в применяемых технологических приемах и устройствах для их осуществления, не позволяющих получить прецизионные трубы с чистовыми поверхностями.

Устанавливаемая на державке короткая оправка "плавает" при горячей ковке в очаге деформации относительно теоретической оси ковки, что является причиной повышенной разностенности поковки трубы, деформируемой в горячем состоянии, и увеличения припусков под последующую мехобработку.

Механически обработанную концентричную трубную заготовку по этой же схеме, то есть на неподвижной оправке, деформируют и в холодном состоянии, при этом качество трубы улучшается, разностенность ее не превышает допустимой величины, однако шероховатость канала требует дополнительной обработки - хонингования.

Задачей разработки способа и устройства является получение прецизионных труб для цилиндров скважинных штанговых насосов радиальной ковкой в окончательном виде без дополнительной мехобработки, то есть с допуском по внутреннему диаметру не более ±0,02 мм и шероховатостью поверхности канала по Ra не более 0,2 мкм.

Указанный результат достигается тем, что предложен способ, согласно которому: на последнем переходе деформирования расточенного полуфабриката трубы одновременно с холодной радиальной ковкой производят последовательное выглаживание сформированного канала до окончательных размеров, формы и шероховатости дополнительной оправкой с цилиндрическим калибрующим пояском; - полуфабрикат прецизионной трубы получают горячей вытяжкой, выполняемой с постоянной фиксацией оправки по каналу уже откованной части трубы с помощью центрирующего хвостовика.

Для осуществления способа предложена радиально-ковочная машина, содержащая один ковочный блок с комплектом бойков, две зажимные головки - манипуляторы, расположенные с обеих сторон ковочного блока, и ковочную оправку, устанавливаемую в зоне действия бойков с помощью штанги-державки, проходящей внутри шпинделя зажимной головки, при этом: в ковочной оправке присоединена дополнительная выглаживающая оправка, рабочая часть которой смещена за пределы зоны ковки и имеет диаметр калибрующего пояска, превышающий диаметр той части ковочной оправки, которая формирует канал трубы; выглаживающая оправка выполнена, например, из твердого сплава и насажена на стержень ковочной оправки через эластичную, например, полиуретановую втулку; ковочная оправка малым основанием конуса рабочей поверхности состыкована с малым основанием конуса выглаживающей оправки; оправка для горячей вытяжки полуфабриката трубы снабжена центрирующим хвостовиком, диаметр которого на 0,05 0,1 мм меньше диаметра той части ковочной оправки, которая формирует канал трубы.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа [3] заключаются в следующем: на последнем переходе деформирования одновременно с холодной радиальной ковкой производят последовательное выглаживание сформированного канала трубы до окончательных размеров, формы и шероховатости дополнительной оправкой с цилиндрическим калибрующим пояском; полуфабрикат трубы получают горячей вытяжкой при постоянной фиксации оправки по каналу уже откованной части трубы с помощью центрирующего хвостовика; это обеспечивает высокую точность трубы и прежде всего ее концентричность, поэтому достаточны минимальные припуски и только для расточки канала под последующую холодную деформацию.

Устройство для осуществления предлагаемого способа отличается дополнительной выглаживающей оправкой, присоединенной через эластичную втулку к ковочной оправке и расположенной за пределами очага деформации; эта оправка предназначена для выглаживания, то есть дополнительной деформации канала, поэтому ее калибрующий поясок имеет больший диаметр по отношению к внутреннему диаметру трубы, формируемому ковочной оправкой. Этим и отличается предлагаемая сборная оправка от известных длинных подвижных оправок с двумя центрирующими поясками с диаметрами, равными внутреннему диаметру изделия после обжатия и расположенными за пределами механизма обжатия на значительном расстоянии друг от друга [2] Эти пояски предназначены не для деформации поверхности канала, а для улучшения прямолинейности поковки и не в процессе ковки, а после ее завершения, то есть во время съема детали с оправки с помощью гидравлического приспособления ([2] стр. 146 147).

Кроме этого предлагаемое устройство отличается оправкой для горячей вытяжки полуфабриката трубы, снабженной центрирующим хвостовиком, диаметр которого на 0,05 0,1 мм меньше диаметра формируемого канала трубы. Эта ступенчатая оправка с одной рабочей поверхностью обеспечивает получение точной трубы с концентричными поверхностями и постоянным внутренним диаметром по всей длине трубы. По своей конструкции и назначению она существенно отличается от известной ступенчатой оправки с двумя рабочими поверхностями разных диаметров ([3] стр. 11), которая может менять свое положение в зоне деформации в процессе ковки и предназначена для формирования уступов или выступов в любом месте канала поковки; оправку такой конструкции нельзя использовать для ковки точных труб с минимальными припусками в канале.

Способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг. 1 изображена схема горячей радиальной ковки полуфабриката цилиндра на оправке с центрирующим хвостовиком; на фиг. 2 схема холодной радиальной ковки цилиндра на сборной оправке с последующим выглаживанием канала; на фиг. 3 ковочная оправка с конической рабочей поверхностью, к которой присоединена дополнительная выглаживающая оправка.

Устройство для изготовления прецизионных труб содержит ковочный блок с комплектом бойков 1, две зажимные головки 2, размещенные с обеих сторон ковочного блока; оправку 3, расположенную в зоне действия бойков и закрепленную на державке 4. Оправка для горячей ковки содержит хвостовик 5 для центрирования ее по каналу продеформированной части трубы 6. На стержне оправки для холодной ковки размещена дополнительная выглаживающая оправка 7 с промежуточной эластичной втулкой 8, выполненной, например, из полиуретана, закрепленной гайкой 9.

При изготовлении полуфабриката цилиндра нагретую до ковочной температуры трубу 6 куют одновременно четырьмя бойками 1 на короткой неподвижной оправке 3, закрепленной на державке 4, при этом центрирующий хвостовик 5 фиксирует оправку по оси ковки перед очередным обжатием в момент, когда поковка перемещается зажимной головкой 2. Положение конической рабочей поверхности оправки 3 в очаге деформации выбирают таким образом, чтобы зазор α между центрирующим хвостовиком 5 и внутренней поверхностью откованной части трубы не превышал 0,05 0,1 мм. После расточки канала, необходимой для удаления обезуглероженного слоя металла, осуществляют окончательную операцию формирования цилиндра холодной радиальной ковкой (фиг. 2). Исходную заготовку перемещают в зоне деформации зажимной головкой 2 и куют бойками 1 на неподвижной оправке 3, закрепленной на державке 4, затем канал продеформированной части трубы 6 последовательно выглаживают дополнительной оправкой 7. Положение конической рабочей поверхности оправки 3 в зоне ковки определяют в соответствии с выбранной степенью деформации при выглаживании канала согласно условию:
где d_i наименьший диаметр поверхности ковочной оправки, формирующей канал цилиндра перед выглаживанием;
d_k диаметр выглаживающей оправки;
e степень деформации при выглаживании канала;
D наружный диаметр откованного цилиндра.

Конкретным примером реализации технического решения может рассматриваться технология изготовления прецизионной трубы на радиально-ковочной машине усилием 2 МН. Исходный пруток диаметром 90 мм и длиной 1000 мм из стали 38Х2МОА рассверливают на ⊘_вн 35 мм, затем обтачивают по наружной поверхности до ⊘_н 80 мм, выдерживая разностенность не более 0,2 мм.

Полученную заготовку нагревают до 1150^oС± 15^o и куют на 4-бойковой радиально-ковочной машине; при этом канал поковки формируют водоохлаждаемой конической оправкой с центрирующим хвостовиком и получают полуфабрикат следующих размеров: ⊘_н 50 мм, ⊘_вн 32 мм, длина 3500 мм (коэффициент вытяжки 3,5). После чего трубу растачивают до ⊘_вн 35 мм с шероховатостью в канале Ra 1,6 0,8, подрезают торцы и оформляют технологический конец длиной 200 400 мм под захваты зажимной головки радиально-ковочной машины. На внутреннюю поверхность исходной заготовки наносят жидкую технологическую смазку и куют в холодном состоянии на конической оправке, затем канал трубы выглаживают дополнительной оправкой, рабочая часть которой смещена за пределы зоны ковки. Таким образом получают цилиндр длиной 4100 мм, с наружным диаметром 44 мм, внутренним диаметром 32,28±0,015 мм, с шероховатостью в канале по Ra 0,15 0,20 мм.

Для радиальной ковки характерна дробность деформации, когда четыре бойка действуют синхронно с большой частотой ударов (до 2000 в мин). Поэтому пульсирующее приложение нагрузки не только способствует снижению удельных давлений в очаге деформации, но и обеспечивает возможность одновременного выглаживания канала изготавливаемой прецизионной трубы. Такое совмещение операций обеспечивает существенные преимущества:
точность формирования канала цилиндра по сравнению с традиционной технологией холодной ковки или холодного волочения трубы повышается в 10 раз, отклонения размеров по диаметру не более ±0,02 мм;
значительно уменьшается шероховатость внутренней поверхности, Ra не более 0,2 мкм;
канал цилиндра скважинного штангового насоса формируется в окончательном виде и при этом исключаются трудоемкие финишные операции: хонингование, полирование;
улучшаются эксплуатационные характеристики цилиндра за счет упрочнения поверхности канала при холодной деформации и благоприятной схемы остаточных напряжений, повышающих конструктивную прочность детали;
открывается возможность унификации основных деталей скважинного штангового насоса: цилиндра и плунжера, это будет одним из решающих преимуществ предлагаемой технологии.

Формула изобретения

1. Способ производства прецизионных труб, например, цилиндров скважинных штанговых насосов, включающий радиальную ковку заготовки на неподвижной короткой оправке с конической рабочей поверхностью за несколько переходов и механическую обработку, отличающийся тем, что на последнем переходе деформирования производят холодную радиальную ковку расточенного полуфабриката трубы одновременно с последовательным выглаживанием сформированного канала до окончательных размеров, формы и шероховатости дополнительной оправкой с цилиндрическим калибрующим пояском, а полуфабрикат прецизионной трубы получают горячей вытяжкой, выполняемой с постоянной фиксацией оправки по каналу уже откованной части трубы с помощью центрирующего хвостовика.

2. Радильно-ковочная машина для производства прецизионных труб, например, цилиндров скважинных штанговых насосов, содержащая один ковочный блок, включающий комплект бойков, две зажимные головки-манипуляторы, расположенные с обеих сторон ковочного блока, и коническую ковочную оправку, установленную в зоне действия бойков с помощью штанги-державки, проходящей внутри шпинделя зажимной головки, отличающаяся тем, что ковочная оправка снабжена дополнительной выглаживающей оправкой, рабочая часть которой смещена за пределы зоны ковки и имеет диаметр калибрующего пояска, превышающий диаметр той части ковочной оправки, которая формирует канал трубы.

3. Радиально-ковочная машина по п.2, отличающаяся тем, что выглаживающая оправка выполнена из твердого сплава и насажена на стержень ковочной оправки через эластичную, например, полиуретановую втулку.

4. Радильно-ковочная машина по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что ковочная оправка малым основанием конуса состыкована с малым основанием конуса выглаживающей оправки.

5. Радиально-ковочная машина по п.2, отличающаяся тем, что оправка для горячей вытяжки полуфабриката трубы снабжена центрирующим хвостовиком, диаметр которого на 0,05 0,1 мм меньше диаметра той части ковочной оправки, которая формирует канал трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3