Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10654
(13) U
(46) 2015.04.30
(51) МПК
B 21D 41/04 (2006.01)
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЖИМА КОНЦА ТОЛСТОСТЕННОЙ
ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ
(21) Номер заявки: u 20140439
(22) 2014.12.02
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Физико-техничес-
кий институт Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Клубович Владимир Влади-
мирович; Клушин Валерий Александ-
рович; Липницкий Алексей Станисла-
вович; Томило Вячеслав Анатольевич;
Левкович Виктор Владимирович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной ака-
демии наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки, содержащее техно-
логический блок, включающий матрицу, опорную втулку и выталкиватель, отличающее-
ся тем, что дополнительно содержит индукционный нагреватель, имеющий возможность
перемещения вдоль оси заготовки, обжимной станок, установленный соосно с матрицей и
предназначенный для задачи заготовки в матрицу, и систему автоматического управления,
содержащую блоки контроля изменения температурного и силового интервалов нагрева и
обжима конца толстостенной трубной заготовки и сопряженные с ними датчики темпера-
туры нагрева и усилия обжима.
(56)
1. Горбунов М.Н. Технология заготовительно-штамповочных работ в производстве
самолетов. - М.: Машиностроение, 1981.
2. Клубович В.В., Томило В.А. Технологии изготовления и обработки специальных
периодических профилей: Монография. - Минск: БНТУ, 2007.
3. RU 2043813, МПК B 21D 41/04, 1995.
Фиг. 1
BY10654U2015.04.30

2. BY 10654 U 2015.04.30
2
Полезная модель относится к обработке металлов давлением и может быть использо-
вана для обжима концов толстостенных трубных заготовок, используемых, например, при
изготовлении несущих осей сельскохозяйственной техники.
Известны устройства для обжима концов труб, содержащие деформирующий инстру-
мент, состоящий из матрицы и пуансона. Обжим производится под действием постоянной
внешней нагрузки в штампе с электроподогревом матрицы для передачи тепла деформи-
руемому концу трубной заготовки [1].
Недостатком этих устройств является низкая производительность из-за длительности
процесса нагрева концевого участка трубы для обеспечения требуемой температуры
штамповки (обжима).
Известны устройства для обжима концов труб, построенные на основе поперечно-
винтовой прокатки. Обжиму предшествует нагрев заготовки до 1100…1300 °С, после чего
осуществляется основная операция прокаткой на оправке или без ввода оправки внутрь
трубной заготовки профильными вращающимися валками, развернутыми относительно
оси вращения заготовки на угол подачи [2].
Недостаток указанного устройства заключается в ограниченных технологических воз-
можностях, обусловленных потерей устойчивости трубной заготовки в радиальном на-
правлении.
В качестве прототипа выбрано устройство для обжима концов труб, содержащее тех-
нологический блок, включающий деформирующий инструмент в виде кольцевой матри-
цы, установленной в корпусе, и связанный с силовым цилиндром толкатель, расположен-
ный соосно с матрицей [3].
Процесс обработки концов труб в этом устройстве включает операции подачи трубы в
устройство с последующим обжимом. Выталкивание трубы из матрицы осуществляется с
помощью толкателя, установленного на штоке силового цилиндра.
Недостаток устройства-прототипа заключается в низкой производительности обжима
конца толстостенной трубы из-за последовательного выполнения операций нагрева,
транспортировки и деформации, а также в ограниченных технологических возможностях,
обусловленных потерей осевой устойчивости трубной заготовки в зоне нагретого конце-
вого участка.
Потеря осевой устойчивости нагретого концевого участка трубной заготовки проявля-
ется в виде образования кольцевой гофры в момент, когда усилие обжима превышает до-
пустимое усилие сжатия нагретой трубы по условию сохранения ее осевой устойчивости.
Допустимое усилие сжатия нагретого концевого участка трубы зависит от его длины, чем
больше длина нагретого концевого участка, тем меньше допустимое усилие сжатия.
При обжиме нагретого концевого участка трубной заготовки в матрице без внешнего
подпора ее наружной поверхности наблюдается потеря осевой устойчивости в виде изгиба
или образование наружной кольцевой гофры, а при обжиме с подпором наружной поверх-
ности - образование внутренней кольцевой гофры в месте перехода нагретого участка
трубы в ненагретый (на границе нагрева).
На потерю осевой устойчивости при обжиме конца толстостенной трубной заготовки
кроме длины L нагреваемого концевого участка трубной заготовки и температуры нагрева
T значительное влияние оказывают: коэффициент обжима Коб = D/d, характеризующий
степень редуцирования наружного диаметра трубы (D - внешний диаметр исходной заго-
товки, d - диаметр обжатого концевого участка трубы), относительная толщина трубы s/D
(s - толщина стенки трубы) и угол обжима α (угол конуса матрицы).
Поэтому при обжиме концов труб со степенями редуцирования, близкими к критиче-
ским значениям и требующими по конструктивным соображениям большого угла обжима
и/или большой длины обжимаемого конца, процесс обжима осуществляют за несколько
переходов, что увеличивает трудоемкость процесса обжима и уменьшает производитель-
ность.

3. BY 10654 U 2015.04.30
3
В основу полезной модели положена задача повышения производительности и расши-
рения технологических возможностей обжима конца толстостенной трубной заготовки
путем выполнения нагрева и обжима концевого участка трубной заготовки непрерывно
последовательно в заданном контролируемом температурном и силовом интервалах зна-
чений.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для обжима конца толстостен-
ной трубной заготовки, содержащее технологический блок, включающий матрицу, опор-
ную втулку и выталкиватель, дополнительно содержит индукционный нагреватель,
имеющий возможность перемещения вдоль оси заготовки, обжимной станок, установлен-
ный соосно с матрицей и предназначенный для задачи заготовки в матрицу, и систему ав-
томатического управления, содержащую блоки контроля изменения температурного и
силового интервалов нагрева и обжима конца толстостенной трубной заготовки и сопря-
женные с ними датчики температуры нагрева и усилия обжима.
Сущностью заявляемого технического решения является обеспечение оптимальных
температурно-силовых режимов обжима и поддержание их в течение всего процесса об-
жима.
В процессе обжима с помощью датчиков температуры нагрева и усилия происходит
контроль данных параметров. В случае выхода фактических параметров за пределы до-
пустимых значений происходит их корректировка. При изменении усилия обжима и/или
температуры заготовки система управления формирует наиболее предпочтительные для
конкретного процесса обжима команды: изменение расстояния между индукционным на-
гревателем и матрицей за счет перемещения индукционного нагревателя, что приведет к
изменению времени остывания заготовки перед обжимом, изменение передаваемой в за-
готовку мощности и/или изменение скорости деформирования (изменение температуры
нагрева).
Для каждого конкретного технологического процесса обжима возможно подобрать
режим, при котором перед подачей в матрицу заготовка будет иметь минимальную необ-
ходимую температуру, при которой возможно проведение операции за минимальное ко-
личество переходов и с усилием, не выходящим за пределы допустимого интервала.
Проведение операции обжима за минимальное количество переходов способствует увели-
чению производительности процесса, контроль температуры непосредственно перед по-
дачей заготовки в матрицу позволяет задавать температуру заготовки в зависимости от
сложности операции (коэффициент обжима и относительная толщина стенки).
Сущность полезной модели его поясняется фигурами, где
фиг. 1 - схема устройства для обжима конца толстостенной трубной заготовки: сверху
положение трубной заготовки в момент начала обжима конца трубы, снизу положение
трубной заготовки в момент окончания обжима конца трубы;
фиг. 2 - чертеж поковки цапфы ПРТ10.03.807 несущей оси сельскохозяйственной тех-
ники ОАО "Бобруйскагромаш".
Заявляемое устройство содержит следующие основные устройства: технологический
блок 1, индукционный нагреватель 2, обжимной станок 3, систему автоматического
управления 4.
Технологический блок 1 включает матрицу 5, опорную втулку 6 и выталкиватель 7.
Индукционный нагреватель 2 включает генератор 8 высокой частоты, индуктор 9 и
механизм 10 перемещения индуктора вдоль продольной оси технологической линии об-
жима.
Обжимной станок 3 включает силовой гидроцилиндр 11, пуансон 12, который кинема-
тически связан со штоком гидроцилиндра 11, и приемный рольганг 13.
Система автоматического управления 4 включает датчик 14 температуры нагрева, дат-
чик 15 усилия обжима (датчик давления), устройство 16 сравнения (контроля изменения
температурного и силового интервалов нагрева и обжима конца трубной заготовки), за-

4. BY 10654 U 2015.04.30
4
датчик 17 заданного температурного и силового интервалов обжима и пульт управления
процессом обжима (на фигурах не показан).
Устройство для обжима конца толстостенной трубной заготовки работает следующим
образом.
В исходном положении, когда шток силового гидроцилиндра 11 обжимного станка 3 и
пуансон 12 находятся в крайнем правом положении (положение пуансона показано пунк-
тирной линией), производят загрузку трубной заготовки 18 на приемный рольганг 13 тех-
нологической линии обжима.
Включают индукционный нагреватель 2 и обжимной станок 3. Пуансоном 12 обжим-
ного станка 3 воздействуют на трубную заготовку 18, проталкивая ее через индуктор 9
индукционного нагревателя 2 в матрицу 5 технологического блока 1.
По мере проталкивания трубной заготовки 18 через индуктор 9 индукционного нагре-
вателя 2 осуществляют непрерывно последовательно в заданном температурном интерва-
ле нагрев локальных зон концевого участка трубной заготовки и к моменту начала
обжима конца трубы (фиг. 1, сверху) нагревают до требуемой температуры концевой уча-
сток трубы длиной l.
При дальнейшем продвижении трубной заготовки 18 осуществляют одновременно на-
грев конца трубы до требуемой длины L, после чего индукционный нагреватель 2 отклю-
чают, и обжим нагретого конца трубы (фиг. 1, снизу) путем ее проталкивания через
матрицу 5 технологического блока 1.
Обжим конца толстостенной трубной заготовки осуществляют в заданных темпера-
турном и силовом интервалах путем контроля фактической температуры нагрева протал-
киваемой трубной заготовки 18 на участке между индуктором 9 и матрицей 5 датчиком 14
температуры нагрева и контроля усилия обжима концевого участка трубной заготовки
датчиком 15 усилия обжима, которые сравнивают в устройстве 16 контроля изменения
температурного и силового интервалов обжима с заданными задатчиком 17 температур-
ным и силовым интервалами обжима.
Величина изменения температурного интервала обжима (разница электрических сиг-
налов от датчика 14 и задатчика 17) в устройстве 16 сравнения формирует одну или не-
сколько наиболее предпочтительных для конкретного технологического процесса обжима
команд: увеличение или уменьшение скорости деформирования и/или изменение переда-
ваемой в заготовку мощности путем изменения напряжения генератора.
Величина изменения силового интервала обжима (разница электрических сигналов от
датчика 15 и задатчика 17) в устройстве 16 сравнения формирует команду на уменьшение
или увеличение расстояния между индуктором и матрицей за счет перемещения индукто-
ра вдоль продольной оси. При увеличении усилия обжима уменьшают расстояние между
индуктором и матрицей.
Проводили сравнительные испытания известного и заявленного устройств для обжима
конца толстостенной трубной заготовки на примере изготовления поковки цапфы
ПРТ10.03.807 (фиг. 2) несущей оси сельскохозяйственной техники из трубной заготовки
Ø121 × 18 мм, длиной 570 мм, сталь 40Х.
Конец трубной заготовки, подвергаемый обжиму, с учетом конусного участка - 225 мм;
угол обжима переходного участка трубы α = 37°30'; степень редуцирования 33 %; коэф-
фициент обжима Коб. = 1,39; относительная толщина s/D = 0,15. Обжим конца трубной за-
готовки за один переход в заданных технологических режимах сопровождался потерей
осевой устойчивости на стадии формирования конусного участка поковки.
Конструктивные и, соответственно, технологические параметры поковки близки к
предельным значениям по условию осевой устойчивости при обжиме конца в один пере-
ход. В связи с чем обжим осуществляли с нагревом конца трубной заготовки до 750 °С в
два перехода.

5. BY 10654 U 2015.04.30
5
На первом переходе осуществляли обжим конца трубной заготовки на диаметр 98 мм
(степень редуцирования 22,3 %; Коб. = 1,23), а на втором переходе обжимали конец труб-
ной заготовки с диаметра 98 мм на требуемый диаметр 87 мм (степень редуцирования
13,75 %; Коб. = 1,13).
По известной технологии нагревали конец трубы Ø121 × 18 мм длиной L = 250 мм до
750 °С и затем осуществляли обжим конца трубы на диаметр 98 мм (первый переход) пу-
тем проталкивания в матрицу с углом конуса 30° со скоростью 10 мм/с. Нагретый участок
трубы потерял осевую устойчивость при обжиме конусного участка.
Уменьшали длину нагреваемого конца трубы для возможности его обжима без потери
устойчивости, т.е. без образования гофр и изгиба.
По известной технологии оказалось возможным осуществить обжим конца трубы
Ø121 × 18 мм на диаметр 98 мм с нагревом конца трубы длиной не более 150 мм. После
чего был выполнен второй переход с углом обжима переходного участка трубы α = 37°30'
с диаметра 98 мм на диаметр 87 мм, при этом длина обжатого конца составила ~95 мм
вместо требуемой длины 165 мм (фиг. 2).
Обжим цапфы несущей оси с применением предлагаемого устройства осуществляли
также в два перехода.
Нагрев и обжим концевого участка трубной заготовки в каждом переходе осуществля-
ли непрерывно последовательно в заданном температурном интервале 700-750 °С путем
проталкивания трубной заготовки силовым гидроцилиндром 11 через индуктор 9 в матри-
цу 5 со скоростью 10 мм/с.
В отличии от известной технологии к моменту начала обжима конца трубной заготов-
ки нагретым до заданной температуры 750 °С был концевой участок длиной l = 0,8D ≈100 мм.
В данном конкретном случае при заданной скорости проталкивания трубной заготовки 19
через индуктор 10 мм/с нагрев концевого участка трубной заготовки l ≈ 100 мм обеспечи-
вался подводом к индуктору требуемой мощности.
В процессе обжима конца трубной заготовки система автоматического управления 4
обеспечивала контроль температуры нагрева и усилия, затрачиваемого на выполнение де-
формации, что позволяло осуществлять обжим в заданных температурных и силовых ре-
жимах.
Минимизация длины нагретого участка заготовки l при непрерывном последователь-
ном нагреве и обжиме концевого участка трубной заготовки позволила осуществить об-
жим конца трубной заготовки цапфы несущей оси сельскохозяйственной техники за один
переход при условии изменения угла конуса с 37°30' до 25°.
Учитывая, что конец трубной заготовки цапфы подвергается последующей механиче-
ской обработке, обжим конца за один переход по предлагаемому способу следует считать
наиболее целесообразным.
Как следует из сопоставительного анализа известного и заявленного устройств обжим
конца толстостенной трубной заготовки по новой технологии, при которой нагрев и об-
жим концевого участка трубной заготовки осуществляют непрерывно последовательно в
оптимальных температурно-силовых режимах, повышает производительность процесса и
расширяет технологические возможности.
Производительность обжима повышается за счет непрерывного последовательного
осуществления нагрева и обжима концевого участка трубной заготовки. Кроме того, как
показано в конкретном примере изготовления поковки цапфы несущей оси сельскохозяй-
ственной техники, обжим конца может быть выполнен за один переход.
Стабильность процесса обжима конца толстостенной трубной заготовки достигается
за счет уменьшения длины нагреваемого конца трубы перед его обжимом за счет непре-
рывного последовательного нагрева локальной зоны концевого участка трубной заготовки
и оптимизации температурного и силового режимов деформации, не допускающих усло-
вий, при которых нагретый конец трубной заготовки теряет осевую устойчивость.

6. BY 10654 U 2015.04.30
6
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.