Про формоутворення поздовжніх пазів на внутрішній поверхні трубчастих заготовок холодним пластичним деформуванням

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ТЕХНОЛОГІЇ»

С. Є. Шейкін, д‑р техн. наук, С. Ф. Студенець, канд. техн. наук,
Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України

У сучасному машинобудуванні існує клас деталей типу втулок, функціональне призначення яких вимагає формування на їхній внутрішній поверхні поздовжніх пазів (рис. 1). Розміри деталей такого типу можуть коливатися в широкому діапазоні. Залежно від функціонального призначення для їх виготовлення можуть використовуватися різні марки сталей і кольорових металів.


Рис. 1. Приклад перерізу трубчастого виробу з пазами

Існуючі сьогодні технологічні процеси формоутворення пазів на внутрішній поверхні виробів такого типу можуть містити операції обробки електрохімічними методами, різанням (шпалерне стругання, ріжуче протягування) та пластичним деформуванням (гаряче та холодне радіальне кування, деформуюче протягування, редукування на фасонній оправці).

До недоліків електрохімічних процесів слід віднести порівняно низьку точність обробки та необхідність надійного антикорозійного захисту елементів електрохімічних верстатів. Крім того, всі електрохімічні процеси відрізняються високою енергоємністю порівняно з обробкою різанням.

Формоутворення пазів у довгих деталях різанням за схемою шпалерного стругання є досить трудомісткім. Найбільш продуктивною схемою обробки різанням у даному випадку може бути різальне протягування. Але в разі обробки довгомірних деталей габарити та вартість різальних протяжок будуть значними, а стійкість — обмеженою.

Методи радіального кування (холодного та гарячого) дозволяють суттєво зменшити відходи оброблюваного матеріалу в стружку порівняно з різанням, а також забезпечити достатньо високу продуктивність. Однак вони потребують технологічного обладнання високої вартості та значної виробничої площі [Sheykin S. Ye., Melnichenko V. V., Studenets S. F., Rostotskyi I. Yu., Iefrosinin D. V., Melnichenko Ya. V. On the Contact Interaction between Hard-Alloy Deforming Broaches and a Workpiece during the Shaping of Grooves in the Holes of Tubular Products. Journal of Superhard Materials. 2021. Vol. 43. Is. 3. P. 222–230].

                              Рис. 2. Схеми ДП:
а) без обмеження радіальної деформації зовнішньої поверхні;
б) з обмеженням, у жорсткій обоймі:
1 — заготовка;
2 — інструмент; 3 — жорстка обойма

На наш погляд, використання методів холодного пластичного деформування, а саме, деформуючого протягування (ДП) і редукування на фасонній оправці, для формоутворення отворів фасонного профілю є дуже перспективним. Вони не потребують спеціального коштовного обладнання, а можуть бути реалізовані на серійному з використанням нескладного оснащення, і дозволяють звести до мінімуму відходи матеріалу у стружку. При цьому точність обробки та шорсткість обробленої поверхні забезпечуються інструментом, а деформаційне зміцнення оброблюваного матеріалу підвищує експлуатаційний ресурс готового виробу.

При реалізації технологічної схеми ДП інструмент у вигляді усіченого конуса пропускають через отвір заготовки. При цьому діаметр інструменту більше, ніж діаметр отвору. На рис. 2а наведено схему ДП без обмеження радіальної деформації заготовки, на рис. 2б — з обмеженням жорсткою обоймою. ДП може виконуватися на серійних протяжних верстатах, які забезпечують високу продуктивність обробки. Залежно від технологічних умов ДП контактний тиск у зоні взаємодії інструменту та оброблюваного виробу може сягати 9σт оброблюваного металу [Sheykin S. Ye., Melnichenko V. V., Studenets S. F., Rostotskyi I. Yu., Iefrosinin D. V., Melnichenko Ya. V. On the Contact Interaction between Hard-Alloy Deforming Broaches and a Workpiece during the Shaping of Grooves in the Holes of Tubular Products. Journal of Superhard Materials. 2021. Vol. 43. Is. 3. P. 222–230]. За цих умов можливо отримати шорсткість обробленої поверхні Ra 0,05–0,2 і точність отвору, що відповідає 6–7 квалітету [Розенберг А. М., Розенберг О. А. Обработка отверстий твердосплавными выглаживающими протяжками. Киев: Техника, 1966. 62 с.].

Для формоутворення отворів з пазами використовують деформуючі протяжки з фасонними робочими елементами з твердого сплаву, переріз яких є дзеркальним по відношенню до перерізу отвору. Використання декількох деформуючих елементів (ДЕ) в одному інструменті дозволяє розподілити між ними деформацію та, таким чином, пом’якшити умови контактної взаємодії. За необхідності на інструмент можливо додатково встановлювати також різальні елементи (РЕ). Наприклад, при формуванні точного профілю отвору Ø 40 мм з пазами з кутом нахилу 8° у деталі зі сталі 38Х2 МЮА (HRC 30) використовували таку схему (рис. 3): перший круглий ДЕ попередньо калібрує отвір; другий фасонний ДЕ формує паз; третій круглий РЕ видаляє напливи на циліндричній поверхні між пазами після їх формоутворення; четвертий круглий ДЕ здійснює остаточне калібрування циліндричної поверхні.


Рис. 3. Робоча частина деформуючо-ріжучої протяжки:
1, 2, 4 — деформуючі елементи; 3 — ріжучий елемент

Рис. 4. Внутрішня поверхня заготовки після протягування

На рис. 4 наведено фото внутрішньої поверхні деталі з пазами після обробки протягуванням у жорсткій обоймі за описаною схемою. При цьому забезпечуються висока точність і низькі значення шорсткості: коливання розміру по западинах — 0,02 мм, по виступах — 0,01 мм, шорсткість обробленої поверхні Ra 0,12–0,15.

 Рис. 5. Збірний деформуючий елемент протяжки:
1 — сталевий корпус; 2 — твердосплавні вставки

При обробці деталей великого діаметра для формування пазів зазвичай використовують збірні фасонні ДЕ, корпус яких виготовляють зі сталі, а формоутворюючі робочі елементи — з твердого сплаву. На рис. 5 наведено фото інструменту, який використовувався при формоутворенні поздовжніх пазів трикутного профілю в трубній заготовці Ø 168 х 16 зі сталі 20 (НВ 130).

При редукуванні (рис. 6) заготовку (1) з мінімальним зазором одягають на фасонну оправку (2), профіль перерізу якої є дзеркальним профілю перерізу готової деталі. Далі проводять обробку волокою (3), діаметр отвору якої менше зовнішнього діаметра заготовки.


Рис. 6. Схема редукування на фасонній оправці

При контактній взаємодії з інструментом зазор вибирається, і оброблюваний матеріал заповнює западини оправки. У результаті формується заданий профіль перерізу. За необхідності, формування профілю здійснюється за декілька проходів. Практика показала, що редукуванням на фасонній оправці можна отримати точність, що відповідає 6–7 квалітету, та шорсткість оброблюваної поверхні Ra 1,6 [Розенберг О. А., Крицкий А. Д., Мельниченко В. В., Студенец С. Ф. Технология восстановления карданных валов дизель-поездов на основе метода холодного пластического деформирования. Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Серія «Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація». 2003. Вип. 12. С. 63–68].

На рис. 7 наведено фото фасонної оправки, яку використовували при формоутворенні трикутних пазів у трубній заготовці Ø 168 х 16 зі сталі 20 (НВ 130). Оправка виготовлена зі сталі Х12 МФ (HRC 58–60).


Рис. 7. Фасонна оправка для формоутворення трикутних пазів у трубчастій заготовці Ø 168 х 16

Для редукування деталей значного діаметра використовують збірні волоки, які складаються з робочої частини, що здійснює деформування заготовки, та обойми. Робочу частину виготовляють із твердого сплаву або з іншого зносостійкого матеріалу, обойму — з конструкційної сталі. Робочу частину в обойму запресовують з натягом, який визначається розрахунком інструменту на міцність.

Фото волоки, яку використовували для редукування трубчастих заготовок Ø 168 х 16 зі сталі 20, наведено на рис. 8.

Рис. 8. Збірна волока для редукування заготовки Ø 168 х 16

Кожна схема має свої особливості. ДП дозволяє отримати меншу шорсткість обробленої поверхні, ніж редукування. Пояснюється це тим, що при ДП нормальні та дотичні напруження в контактній зоні інструменту із заготовкою більші, ніж при редукуванні.

З урахуванням конструктивних особливостей готової деталі підбором технологічних режимів ДП можна локалізувати пластичну деформацію в безпосередній близькості від оброблюваної поверхні та звести до мінімуму пластичну деформацію всього об’єму заготовки.

При редукуванні на фасонній оправці пластично деформується та зміцнюється весь об’єм металу заготовки. Агрегатна твердість трубчастої деталі Ø 168 х 16 зі сталі 20 після формоутворення поздовжніх пазів трикутного профілю редукуванням підвищується до НВ 170, твердість тіла деталі після формування пазів ДП не змінюється (НВ 130). Відповідно, об’ємне деформування потребує більших енергозатрат, ніж локальне.

На рис. 9а, 9б наведено фото мікроструктури деформованої зони металу біля вершини паза після ДП (а) та після редукування (б) (х 80).


Рис. 9. Мікроструктура деформованої зони металу біля вершини паза: а) після ДП (х 80); б) після редукування

Видно, що при обробці обома методами в результаті інтенсивної пластичної деформації утворюється сильно текстурований приповерхневий шар. Зі збільшенням глибини ступінь текстурованості зменшується. Аналіз мікроструктури приповерхневого шару дозволяє зробити висновок, що після ДП метал більше деформований, ніж після редукування.

Це підтверджують також мікродюрометрічні дослідження. На рис. 10 наведено розподіл мікротвердості в зоні деформації біля вершини пазу при ДП фасонним інструментом і редукуванням на фасонній оправці. Очевидно, що при ДП формується приповерхневий шар більшої твердості, ніж при редукуванні на фасонній оправці.


Рис. 10. Розподіл мікротвердості в зоні деформації біля вершини пазу:
1 — ДП фасонним інструментом; 2 — редукування на фасонній оправці

Обидві технологічні схеми варіюванням технологічними режимами дозволяють впливати на механічні властивості оброблюваного матеріалу в зонах пластичного деформування.

ВИСНОВКИ

Технологічні схеми деформуючого протягування та редукування на фасонній оправці забезпечують високу точність (6–7 квалітет) формоутворення поздовжніх пазів на внутрішній поверхні трубчастих виробів та низькі значення шорсткості обробленої поверхні.

Вибір технологічної схеми формоутворення поздовжніх пазів необхідно проводити з урахуванням технічних вимог до готового виробу та особливостей кожної схеми.

Похожие статьи


Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.