Способ изготовления штампов для высадки концов труб

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для изготовления штампов. Способ изготовления штампов для высадки концов труб включает отжиг, черновую механическую обработку, закалку с отпуском и механическую обработку на чистовой размер. Матрицы и пуансоны штампов для высадки концов труб изготавливают из штамповой стали для горячего деформирования повышенной теплостойкости и вязкости, при этом механическую обработку матриц и пуансонов на чистовой размер проводят с учетом расчетного коэффициента линейного расширения в процессе штамповки. Закалку проводят путем печного нагрева в окислительно-восстановительной среде до температуры не более 750°С с выдержкой в печи не более 1 часа, затем нагрева до температуры не более 980°С с выдержкой в печи, не превышающей 1 часа, и последующим охлаждением в масле. Обеспечивается повышение стойкости штампов и качества высаженных труб.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении штампов горизонтально-ковочных машин для высадки концов труб.

Известен способ изготовления штампов для высадки концов труб, изготовленных из стали марки 40ХНМ, включающий ковку заготовок, отжиг поковок, механическую обработку (для пуансонов - предварительная механическая обработка), термообработку на твердость 256...415 НВ и для пуансонов - окончательную механическую обработку [ТИ В-1-74 «Изготовление основного производственного инструмента». Глава 24. Матрицы и пуансоны для высадки концов труб на горизонтально-ковочной машине в бурильном отделе цеха №4 и на горизонтально-ковочной машине цеха №5» // Первоуральск, 1974 (ПНТЗ), с.46-47].

Недостатками известного способа являются невысокие износостойкость штампового инструмента и качество высаженных труб, обусловленные недостаточной теплостойкостью стали марки 40ХНМ (˜550°С) и отсутствием учета теплового расширения при расчетах размеров диаметров инструмента.

Также известен способ изготовления штампов горизонтально-ковочных машин из штамповой стали для горячего деформирования марки 5ХНМ умеренной теплостойкости и повышенной вязкости, включающий механическую обработку, термообработку и электроискровое легирование на твердость 321...415 НВ, обеспечивающий стойкость пуансонов - 8...10 тыс.штук и матриц - 3,5...5,0 тыс. штук изделий [Ковка и штамповка. / Справочник, Т.2 «Горячая объемная штамповка» // Под ред. Е.И.Семенова. // М.: Машиностроение, 1986, с.559, 566].

Недостатком этого известного способа является то, что указанная стойкость пуансонов и матриц недостижима при температуре нагрева инструмента 600...700°С, так как теплостойкость стали марки 5ХНМ равна ˜590°С.

Наиболее близким по своей технической сути и ожидаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ изготовления штампов горизонтально-ковочной машины "SMS MEER" для высадки концов труб из штамповой стали для горячего деформирования марки 5ХНМ умеренной теплостойкости повышенной вязкости [ТР 161-0-1110-2006 «Разработка технологии механической обработки матриц и пуансонов пресса "SMS MEER" // Каменск-Уральский, 2006 (ОАО «СинТЗ»), Предметы: 7-8], включающий отжиг поковок, предварительную механическую обработку, закалку и отпуск на твердость 38...43 HRC и механическую обработку на чистовой размер.

Недостатком способа по прототипу является недостаточная стойкость пуансонов, равная ˜1,2 тыс. концов высаженных труб, и матриц, равная ˜3,0 тыс. концов высаженных труб, вызванная недостаточной теплостойкостью металла инструмента 5ХНМ (˜590°С) и отсутствием учета теплового расширения при расчетах размеров диаметров инструмента.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении стойкости штампов и качества высаженных труб, сокращении простоев оборудования по смене инструмента, повышении производительности и увеличении объемов выпускаемой продукции.

Решение технической задачи достигается тем, что в способе изготовления штампов для высадки концов труб, включающем отжиг, черновую механическую обработку, закалку с отпуском и механическую обработку на чистовой размер, для изготовления штампов, содержащих матрицу и пуансон, используют штамповые стали для горячего деформирования повышенной теплостойкости и вязкости, а механическую обработку матриц и пуансонов на чистовой размер проводят с учетом расчетного коэффициента линейного расширения в процессе штамповки, размеры диаметров для пуансона определяют из выражения: d_п=d_в.тр./k_п(1+α*t_п), а размеры диаметров ручья для матрицы определяют из выражения: d_м=d_н.тр.×k_м(1+α*t_м),

где d_п - средний диаметр пуансона, мм;

d_м - диаметр ручья матрицы, мм;

d_в.тр - внутренний диаметр трубы, мм;

d_н.тр. - наружный диаметр трубы, мм;

α - коэффициент линейного расширения материала пуансона и матрицы, 10^-6 1/°С;

t_п=t_м - температура пуансона и матрицы соответственно в процессе штамповки, °С;

k_п - коэффициент, равный 0,99823-0,99060, учитывающий геометрические размеры пуансона, получен опытным путем и является эмпирическим;

k_м - коэффициент, равный 1,0060-1,0142, учитывающий геометрические размеры матрицы, получен опытным путем и является эмпирическим, при этом закалку проводят путем печного нагрева в окислительно-восстановительной среде до температуры не более 750°С с выдержкой в печи не более 1 часа, затем нагрева до температуры не более 980°С с выдержкой в печи не более 1 часа и последующего охлаждения в масле.

Матрицы и пуансоны штампов для высадки концов труб в процессе работы подвергаются многократному циклическому нагреву и охлаждению. Кроме теплового воздействия матрицы и пуансоны подвергаются силовому воздействию со стороны обрабатываемой трубы при ее высадке. Пуансон дополнительно подвергается продольному растяжению при извлечении его из трубы. При этом температура нагрева инструмента 600...700°С, удельные давления на контактных поверхностях ˜700...900 МПа.

Совместные действия указанных факторов приводят к выходу из строя матриц и пуансонов по сетке разгарных трещин и износу, а также способствуют образованию облоя на высаженной части трубы.

В изобретении в качестве материала для матрицы и пуансона штампа используется штамповая сталь для горячего деформирования повышенной теплостойкости и вязкости 4Х4 ВМФС, теплостойкость которой составляет 660°С при 40HRC.

Заготовка поставляется в виде поковки, прошедшей ультразвуковой контроль (УЗК). Для улучшения обрабатываемости при проведении черной механической обработки заготовка подвергается отжигу при температуре не более 860°С в газовой печи. Охлаждение вместе с печью происходит до температуры ˜600°С со скоростью не более 50°С в час, далее - на воздухе.

После проведения черновой механической обработки заготовки матриц и пуансонов проводится их термическая обработка - закалка и отпуск.

Высоких показателей качества и стойкости удается получить, в том числе при печном нагреве под закалку и отпуск, в окислительно-восстановительной среде с целью исключения обезуглероживания.

Закалка проводится путем нагрева заготовки до температуры не более 750°С с выдержкой в печи не более 1 час и последующим нагревом до температуры не более 980°С, что обеспечивает перевод части карбидной фазы в твердый раствор, с выдержкой в печи не более 1 часа и последующим охлаждением в масле.

Сталь марки 4Х4ВМФС является дисперснотвердеющей, поэтому после закалки следует отпуск, включающий нагрев заготовки до температуры не более 620°С, выдержку не более 5 час и последующее охлаждение на воздухе.

Чистовая механическая обработка на готовый размер по диаметрам проводится с учетом расчетного коэффициента линейного расширения в процессе штамповки.

Учет коэффициента линейного расширения при определении размеров диаметров пуансона и матриц позволяет избежать неконтролируемого теплового расширения при высадке и тем самым снизить величину силового воздействия металла на инструмент.

Пример расчета размеров диаметров пуансона и матрицы для высадки концов труб НКВ 73,0×5,5 по ГОСТ 633-80. Наружный диаметр трубы - 73,03 мм, внутренний диаметр - 62,01 мм. Температура пуансона и матрицы t_п=t_м равна 600°С, расчетный коэффициент линейного расширения α=14,2·10^-6 1/°С. Рабочая часть пуансона выполняется с конусностью 1 мм = 0,57 мм + 0,43 мм, где 0,57 мм и 0,43 мм - перепад по диаметрам между передним и задним концами пуансона соответственно по отношению к среднему диаметру. Определяется средний диаметр пуансона d_п=d_в.тр./k_п(1+α*t_п)=2,01/0,99823×(1+14,2×10^-6×600)=61,6 мм, где k_п=0,99823. Диаметр переднего конца пуансона d_п.к.=61,6-0,57=61,03 мм; диаметр заднего конца пуансона d_з.к.=61,6+0,43=62,03 мм. Диаметр ручья матрицы для тела трубы d_м=d_н.тр×k_м(1+α*t_м)=73,03×1,01×(1+14,2×10^-6×600)=74,4 мм, где k_м=1,01.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Способ опробован в промышленных условиях на высадочном пресс «SMS MEER» при высадке концов труб НКВ 73,0×5,5 мм по ГОСТ 633-80, изготовленных из сталей марок «Д», 30ХМА, 32Г2, 26Г1Ф.

По заявленному способу были изготовлены пуансон и матрица из стали 4Х4ВМФС. На матрице (одностороннего исполнения) было высажено 18,5 тыс. концов труб, а на пуансоне - 12,0 тыс. концов труб. Облой на высаженных концах труб отсутствовал. Стойкость матриц, изготовленных по заявленному способу, в сравнении со стойкостью матриц, изготовленных из стали марки 5ХНМ, возросла более чем в 6 раз, а стойкость пуансонов возросла в 10 раз. Инструмент с пресса был снят по износу без появления сетки разгарных трещин. Увеличение стойкости инструмента позволяет сократить время простоя оборудования по смене инструмента. Плановое время смены матрицы - 3 часа, пуансона - 0,3 часа, то есть на смене только матрицы за время ее эксплуатации было сэкономлено 18 час, что повлекло за собой соответствующий рост объемов производства и повышение производительности.

Способ изготовления штампа для высадки концов труб, включающий отжиг, черновую механическую обработку, закалку с отпуском и механическую обработку на чистовой размер, отличающийся тем, что изготавливают матрицу и пуансон штампа из штамповой стали для горячего деформирования, повышенной теплостойкости и вязкости, механическую обработку матрицы и пуансона на чистовой размер проводят с учетом размеров диаметров для пуансона, определяемых из выражения: d_п=d_в.тр/k_п(1+α*t_п), и размеров диаметров ручья для матрицы, определяемых из выражения: d_м=d_н.тр×k_м(1+α*t_м),

где d_п - средний диаметр пуансона, мм;

d_м - диаметр ручья матрицы, мм;

d_в.тр - внутренний диаметр трубы, мм;

d_н.тр - наружный диаметр трубы, мм;

α - коэффициент линейного расширения материала пуансона и матрицы, 10^-6 1/°С;

t_п=t_м - температура пуансона и матрицы, соответственно в процессе штамповки, °С;

k_п - коэффициент, равный 0,99823-0,99060, учитывающий геометрические размеры пуансона, получен опытным путем и является эмпирическим;

k_м - коэффициент, равный 1,0060-1,0142, учитывающий геометрические размеры матрицы, получен опытным путем и является эмпирическим, при этом закалку проводят путем нагрева в окислительно-восстановительной среде до температуры не более 750°С с выдержкой в печи не более 1 ч, затем - до температуры не более 980°С с выдержкой в печи не более 1 ч и последующего охлаждения в масле.