Способ изготовления баллонов высокого давления

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении сосудов высокого давления, в частности стальных баллонов для огнетушителей. Из стальной дисковой заготовки сворачивают колпак с выпуклым дном, штампуют дно колпака, придавая его опорной поверхности устойчивую форму. Из колпака формируют цилиндрический корпус баллона путем вытяжки с утонением его стенок, а затем формируют горловину баллона холодным или горячим обжимом края корпуса. Баллон изготавливают из малоуглеродистой стали. Вытяжку с утонением стенок корпуса проводят в 2-6 операций с промежуточными рекристаллизационными отжигами. Холодный обжим края корпуса проводят в 2-6 операций с рекристаллизационными отжигами через 1 или 2 операции, а горячий обжим края корпуса проводят в 1-2 операции. Изобретение позволяет упростить процесс изготовления баллона, уменьшить металлоемкость баллона, придать баллону удобную в эксплуатации устойчивую форму и снизить стоимость баллона.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении сосудов для наполнения газом под высоким давлением, в частности при изготовлении баллонов для огнетушителей.

Известен способ изготовления баллонов высокого давления из стальной трубы, выпускаемых в соответствии с ГОСТ 949-73 "Баллоны стальные малой и средней емкости для газов на Р_р≤20 МПа (200 кгс/см²)", например, Первоуральским металлургическим заводом. Суть способа заключается в изготовлении баллона цилиндрической формы из отрезка стальной трубы нужного размера и толщины стенок. Концы трубы нагревают и закатывают дно и горловину. Дно дополнительно герметизируют с помощью сварки. В качестве материала используют легированную или углеродистую стали.

Такой баллон имеет сварное округлое дно, его донная и горловинная части утолщены. Баллон имеет большую массу и высокую стоимость. Указанный способ сложен, малопроизводителен, требует специального оборудования для раскатки трубы и закатки дна и горловины и проведения пневматических испытаний для контроля качества сварного дна.

Известен способ изготовления стальных баллонов высокого давления, позволяющий исключить недостаток, связанный с необходимостью герметизации дна и пневматическими испытаниями. Это способ изготовления баллонов высокого давления из листовой заготовки (Тезисы докладов "Проблемы развития технологии и прогрессивного оборудования для производства стальных, чугунных труб и баллонов", Черметинформация, Днепропетровск, 1990, Харченко Ю.Ф. Новый способ производства стальных баллонов из листового металла, с. 126). Баллоны изготавливают из легированной стали. Листовую заготовку неравномерно нагревают и вытягивают из нее гильзу(колпак) на прессовом оборудовании. Т.к. легированная сталь слабо поддается вытяжке, формирование корпуса баллона необходимой длины проводят дополнительной раскаткой или пресс-волочением гильзы.

Такой способ также сложен, малопроизводителен, требует специального оборудования для раскатки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу - прототипом - является способ изготовления баллонов высокого давления из листовой заготовки, реализованный итальянской фирмой Фабер (Григорьев Е.Г. и др. Газобаллонные автомобили. М. : Машиностроение, 1989, с.100-102). Суть способа заключается в следующем. Из стального листа нужной толщины вырубают диск (кружок) требуемого размера, штампуют его, т.е. сворачивают из него колпак со сплошным выпуклым дном, из которого затем путем деформирования его стенок формируют цилиндрический корпус баллона и горловину. В этом способе деформирование колпака осуществляют путем холодной раскатки роликом, а горловину выполняют методом горячей закатки: нагревают конец корпуса и закатывают горловину роликами. Баллон изготавливают из хромо-ванадиевой или боросодержащей стали, т.е. из легированной стали.

Данный способ имеет следующие недостатки. Для изготовления баллонов требуются раскатные и закатные станы, специально предназначенные для этой операции. Они имеют высокую стоимость и требуют высококвалифицированного обслуживания. Баллон имеет утолщенную горловинную часть, что определяется операцией закатывания горловины, т. е. он металлоемкий. Баллон неудобен в эксплуатации, т.к. имеет выпуклое дно, что определяется сложностью обработки легированной стали. Способ сложен, малопроизводителен. Баллон, изготовленный таким способом, имеет высокую стоимость.

Задачей изобретения является упрощение способа изготовления баллонов высокого давления, обеспечение устойчивости баллона, снижение его металлоемкости и снижение стоимости баллона.

Поставленная задача решается следующим образом: в способе, заключающемся в том, что из стальной круглой заготовки (диска) сворачивают (штампуют) колпак с выпуклым дном, из которого формируют цилиндрический корпус с горловиной, в отличие от прототипа после свертки колпака дополнительно штампуют дно баллона с устойчивой формой его наружной опорной поверхности, корпус баллона формируют путем вытяжки с утонением его стенок, а горловину - холодным или горячим обжимом открытого края корпуса, причем баллон изготавливают из малоуглеродистой стали. Сталь имеет допустимую степень деформации растяжения и деформации сжатия, при превышении которой возникают трещины, надрывы, складки. С целью сохранения целостности материала баллонов вытяжку с утонением стенок проводят в несколько (2-6) операций, причем между этими операциями проводят рекристаллизационный (высокотемпературный) отжиг для восстановления пластичности стали. Холодный обжим края корпуса также проводят в 2-6 операций. Между операциями обжима или парами операций обжима проводят рекристаллизационный отжиг. Количество операций по вытяжке и обжиму определяется пластическими свойствами материала и величиной его деформации, т.е. коэффициентом предельно допустимой деформации материала и соотношениями размеров исходной заготовки и баллона (толщины заготовки и толщины стенок баллона, диаметров заготовки и баллона) (В. П.Романовский. Справочник по холодной штамповке. - Л.: Машиностроение, 1971, с. 103-267).

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Из листа малоуглеродистой стали вырубают заготовку круглой формы (диск) и подвергают ее холодной штамповке: сворачивают ее в колпак со сплошным выпуклым дном. Выпуклое дно колпака дополнительно штампуют, обеспечивая рациональное распределение металла в донной части баллона и придавая ему (баллону) устойчивую форму. Наружную опорную поверхность баллона выполняют плоской, вогнутой внутрь или с кольцевым выступом по периферии дна. Затем формируют корпус баллона холодной вытяжкой стали с утонением его стенок. Вытяжка может проводиться на гидравлическом прессе пуансоном через матрицу. С целью сохранения целостности материала процедуру вытяжки с утонением проводят в 4 операции. После каждой операции вытяжки с утонением проводят отжиг (нагрев в печи с целью рекристаллизации - восстановления пластичности стали) с последующим удалением окалины, например травлением или механической чисткой, и нанесением смазки, например фосфатного покрытия с мылом.

На сформированном цилиндрическом корпусе баллона далее формируют горловину методом холодного обжима открытого края корпуса с использованием гидравлических прессов. Обжим проводят в 6 операций для баллонов диаметром 140 мм и в 5 операций для баллонов диаметром 110 мм. Через каждые 2 операции обжима проводят рекристаллизационный отжиг. После последней операции обжима снимают напряжение в стали ее низкотемпературным отжигом. Выполнение горловины может также осуществляться методом горячего обжима, т.е. обжима предварительно нагретого края корпуса. В этом случае количество операций обжима уменьшают до 1-2, а рекристаллизационный отжиг не проводят.

Используемая малоуглеродистая сталь по сравнению с легированной сталью обладает меньшей прочностью, но большей пластичностью. В процессе холодной деформации происходит наклеп - изменение структуры и свойств стали, в результате чего прочность стали возрастает. В частности, в предложенном способе в исходном состоянии временное сопротивление малоуглеродистой стали 28-42 кгс/мм², а у изготовленного баллона - 65-70 кгс/мм², что делает такие баллоны пригодными для огнетушителей. При этом благодаря высокой пластичности малоуглеродистой стали становится возможным формирование корпуса баллона вытяжкой, а горловины - обжимом с использованием известного универсального оборудования. Такой процесс невыполним с легированной сталью, т.к. она не поддается вытяжке, а при ее обжиме образуются трещины. По сравнению с закаткой горловины при формировании горловины обжимом уменьшается толщина горловинной части. Использование малоуглеродистой стали позволяет сформировать дно баллона устойчивой формы холодной штамповкой. Метод холодной штамповки является высокопроизводительным и технологичным. Используемое для реализации данного способа оборудование значительно дешевле и проще в обслуживании, чем раскатные и закатные станы в способе-прототипе, а малоуглеродистая сталь дешевле легированной.

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенный способ более производителен и выполняется с использованием универсального оборудования, не требующего высококвалифицированного обслуживания. Способ позволяет уменьшить металлоемкость баллона, придать баллону удобную в эксплуатации устойчивую форму и снизить стоимость баллона.

Формула изобретения

Способ изготовления баллонов высокого давления, включающий свертку колпака с выпуклым дном из стальной дисковой заготовки, формирование корпуса с горловиной, отличающийся тем, что дно колпака штампуют для придания его поверхности устойчивой формы, корпус баллона формируют вытяжкой с утонением его стенок, горловину - холодным или горячим обжимом края корпуса, при этом вытяжку с утонением стенок корпуса проводят в 2-6 операций с промежуточными рекристаллизационными отжигами, холодный обжим края корпуса - в 2-6 операций с рекристиллазционными отжигами через 1 или 2 операции, горячий обжим края корпуса - в 1-2 операции, а в качестве материала для изготовления баллона используют малоуглеродистую сталь.