RU2327554C2 - Method of manufacturing items of mostly bolt type by welding and friction - Google Patents
Method of manufacturing items of mostly bolt type by welding and friction Download PDFInfo
- Publication number
- RU2327554C2 RU2327554C2 RU2006130217/02A RU2006130217A RU2327554C2 RU 2327554 C2 RU2327554 C2 RU 2327554C2 RU 2006130217/02 A RU2006130217/02 A RU 2006130217/02A RU 2006130217 A RU2006130217 A RU 2006130217A RU 2327554 C2 RU2327554 C2 RU 2327554C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rod
- head
- rotation
- conical
- welding
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к различным технологическим процессам, более конкретно к процессам изготовления деталей сваркой, и может быть использовано для изготовления крепежа (болтов, винтов и др.), применяемого в разных отраслях машиностроения и строительства для повышения их качества и прочностных характеристик, в частности для повышения усталостной прочности. Болты могут изготавливаться из различных, традиционных материалов, в том числе из титановых сплавов.The invention relates to various technological processes, more specifically to the processes of manufacturing parts by welding, and can be used for the manufacture of fasteners (bolts, screws, etc.) used in various branches of engineering and construction to improve their quality and strength characteristics, in particular to increase fatigue strength. Bolts can be made of various, traditional materials, including titanium alloys.
Уровень техникиState of the art
Известны разные способы изготовления болтов: механической обработкой, горячей и холодной высадкой головки болта (Технология изготовления титановых деталей крепления. М.: Металлургия. 1996 г., 143 с.).There are different methods of manufacturing bolts: machining, hot and cold heading of the bolt (Technology for the manufacture of titanium fasteners. M .: Metallurgy. 1996, 143 S.).
Однако получение монолитной заготовки болта, включающей головку и стержень под резьбу, механической обработкой из труднообрабатываемого сплава не рационально из-за высокой трудоемкости и низкого коэффициента использования материала. Технология изготовления болтовых заготовок высадкой головки болта связана со следующими ограничениями:However, obtaining a monolithic bolt blank, including a head and a threaded rod, by machining from a hard-to-work alloy is not rational due to the high complexity and low material utilization. The manufacturing technology of bolt blanks by disembarkation of the bolt head is associated with the following limitations:
- с увеличение размера крепежной детали (болта) резко возрастает требуемая мощность и стоимость оборудования;- with an increase in the size of the fastener (bolt), the required power and cost of equipment increases sharply;
- при изготовлении титановых болтов для облегчения деформирования сплава в технологию вводят дополнительную дорогостоящую операцию наводореживания до операции вытяжки и обезводореживания готовой детали;- in the manufacture of titanium bolts to facilitate the deformation of the alloy, an additional expensive hydrogenation operation is introduced into the technology before the operation of drawing and dehydrating the finished part;
- высокие энергозатраты.- high energy consumption.
Известен способ сварки трением стального вала к турбинному ротору, выполненному из алюминида титана, включающий:A known method of friction welding of a steel shaft to a turbine rotor made of titanium aluminide, including:
- обвалование термоустойчивым сплавом с одного конца вала, имеющего диаметр D;- bonding heat-resistant alloy from one end of the shaft having a diameter D;
- вращение турбинного ротора и вала относительно друг друга с окружной скоростью с термоустойчивым сплавом, прижатым к поверхности турбинного ротора, посредством чего происходит сварка под давлением вала с турбинным ротором благодаря генерируемому теплу трения, с окружной скоростью 1,45-2,6 м/с,- rotation of the turbine rotor and shaft relative to each other at a peripheral speed with a heat-resistant alloy pressed against the surface of the turbine rotor, whereby welding under pressure of the shaft with the turbine rotor due to the generated frictional heat occurs, with a peripheral speed of 1.45-2.6 m / s ,
- с термоустойчивым сплавом, прижатым к поверхности турбинного ротора с давлением 30 кг/мм2, когда происходит нагрев, и свыше 40 кг/мм2, когда происходит соединение. (См. ЕР 0816007, В23К 20/12, 2003 г.).- with a heat-resistant alloy pressed to the surface of the turbine rotor with a pressure of 30 kg / mm 2 when heating occurs, and over 40 kg / mm 2 when the connection occurs. (See EP 0816007,
Однако известный способ не может быть использован для изготовления болтов, так как не обеспечивает требуемой прочности.However, the known method cannot be used for the manufacture of bolts, as it does not provide the required strength.
Известен способ образования жесткого соединения между двумя (или более) металлическими перехлестывающимися деталями, включающий:A known method of forming a rigid connection between two (or more) metal overlapping parts, including:
- обеспечение соединителем (стержнем), выполненным из металла, имеющего температуру точки плавления больше, чем соединяемые детали, и имеющем конфигурацию тела вращения вокруг центральной оси;- providing a connector (rod) made of metal having a melting point temperature greater than the parts to be joined and having the configuration of a body of revolution around a central axis;
- вращение стержня вокруг оси;- rotation of the rod around the axis;
- осевое продвижение стержня до зацепления с внешней поверхностью первой детали;- axial advancement of the rod to mesh with the outer surface of the first part;
- приложение осевого усилия между вращающимся стержнем и деталью для осевого продвижения стержня для фрикционного нагрева и пластифицирования деталей в зоне, прилежащей к соединению;- the application of axial force between the rotating rod and the part for axial advancement of the rod for frictional heating and plasticization of parts in the area adjacent to the connection;
- остановку вращения стержня, когда стержень продвинулся достаточно через всю толщину, создав пластифицированную зону металла по всей толщине деталей, после чего пластичную зону затем охлаждают для получения металлургической связи со стержнем (См. патент США №6227433, В23К 20/12, 2000 г.).- stop the rotation of the rod when the rod has advanced sufficiently through the entire thickness, creating a plasticized metal zone over the entire thickness of the parts, after which the plastic zone is then cooled to obtain a metallurgical bond with the rod (See US Patent No. 6227433,
Указанный способ в случае использования его для производства деталей типа болт характеризуется большими энергозатратами и не может обеспечить высоких прочностных свойств деталей из-за наличия концентратора напряжений, образующегося в месте соединения стержня и головки.The specified method, if used for the production of parts such as a bolt, is characterized by high energy consumption and cannot provide high strength properties of the parts due to the presence of a stress concentrator formed at the junction of the rod and head.
Известен способ изготовления сваркой трением деталей, преимущественно, типа болт, состоящих из стержня и головки (патент Германии №19917071, В23К 20/12, 1999 г.). По данному способу на стержне и головке выполняют конусные участки с наружной и внутренней поверхностями соответственно, по которым детали сопрягаются и сжимаются друг с другом, для сварки трением. При этом конусную поверхность на стержне выполняют с сужающимся концом. При вращении одной из деталей происходит фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения, после чего при сжатии образуется сварное соединение.A known method of manufacturing by friction welding of parts, mainly of the type of bolt, consisting of a rod and a head (German patent No. 199717071,
Основным недостатком прототипа является отсутствие плавного сопряжения поверхностей (галтели) соединяемых деталей, что не приемлемо для крепежа в конструкции ответственного назначения (в аэрокосмической отрасли).The main disadvantage of the prototype is the lack of smooth pairing of the surfaces (fillets) of the parts to be joined, which is not acceptable for fasteners in critical structures (in the aerospace industry).
Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является разработка такого технологического процесса изготовления сваркой трением деталей типа болт, который позволил бы производить детали, в частности, из труднообрабатываемых металлов и сплавов, например, из титана, с повышенными прочностными характеристиками.The objective of the invention is the development of such a technological process of manufacturing by friction welding of parts such as a bolt, which would allow the production of parts, in particular, from hard-to-process metals and alloys, for example, from titanium, with increased strength characteristics.
Кроме того, процесс должен быть менее энергоемким и более производительным.In addition, the process should be less energy intensive and more productive.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления сваркой трением деталей, преимущественно, типа болт, состоящих из стержня и головки, включающем изготовление стержня с наружной конической поверхностью на одном конце и головки с отверстием с внутренней конусной поверхностью соответственно, введение стержня и головки в соприкосновение друг с другом по конусным поверхностям и фиксирование одной детали, их осевое сжатие и вращение другой детали для фрикционного нагрева и пластифицирования материала в зоне трения, относительное продвижение одной из деталей, прекращение вращения и охлаждение деталей для образования сварного соединения, стержень выполняют с одного конца, с наружной конусной поверхностью, расширяющейся к концу стержня и по длине превышающей длину конической поверхности головки, головку фиксируют на оправке, вводят стержень в соприкосновение с головкой со стороны ее наружной поверхности, после чего осуществляют вращение стержня и сварку деталей.The problem is achieved in that in the method of manufacturing by friction welding of parts, mainly, of the type of bolt, consisting of a rod and a head, including the manufacture of a rod with an external conical surface at one end and a head with a hole with an internal conical surface, respectively, the introduction of the rod and head in contact with each other on conical surfaces and fixing one part, their axial compression and rotation of another part for frictional heating and plasticization of the material in the friction zone, relative the advancement of one of the parts, the cessation of rotation and cooling of the parts to form a welded joint, the rod is made from one end, with an outer conical surface expanding towards the end of the rod and longer than the length of the conical surface of the head, the head is fixed on the mandrel, and the rod is brought into contact with the head from the side of its outer surface, after which the rod is rotated and parts are welded.
Целесообразно сварку деталей выполнять так, что одновременно с вращением стержня к его расширенному торцу подводят упор с поверхностью, допускающей вращение стержня, плавно повышают давление оправки на опорную поверхность головки, создавая усилие трения конусных поверхностей, обеспечивающее фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения, продвижение головки относительно стержня и заполнение пластифицированным материалом стержня конусной полости внутри головки, после чего прекращают вращение.It is advisable to weld the parts in such a way that, simultaneously with the rotation of the rod, an emphasis is brought to its expanded end with a surface that allows rotation of the rod, the mandrel pressure smoothly increases on the support surface of the head, creating a friction force of the conical surfaces, providing frictional heating and plasticization of the material in the friction zone, advancement heads relative to the rod and filling the conical cavity with the plasticized material of the rod inside the head, after which the rotation is stopped.
Возможно выполнение сварки таким образом, что одновременно с вращением стержня к торцу его расширенного конца подводят упор с опорной поверхностью, допускающий вращение стержня и создающий усилие сжатия, плавно повышают давление упора на расширенный торец стержня, создавая усилие трения конусных поверхностей, обеспечивающее фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне, продвижение стержня относительно головки и заполнение пластифицированным материалом конусной полости внутри головки, после чего прекращают вращение.It is possible to perform welding in such a way that, simultaneously with the rotation of the rod, an abutment with a supporting surface is brought to the end of its expanded end, allowing the rotation of the rod and creating a compression force, gradually increasing the stop pressure on the expanded end of the rod, creating a friction force of the conical surfaces, providing frictional heating and plasticization material in the zone, the movement of the rod relative to the head and filling with a plasticized material of the conical cavity inside the head, after which the rotation is stopped.
Кроме того, возможно изготовление деталей вести следующим образом:In addition, it is possible to manufacture parts as follows:
- наружную конусную поверхность стержня выполняют с дополнительным цилиндрическим поясом, расположенным между цилиндрической и конусной поверхностями с диаметром, превышающим меньший диаметр конусного отверстия головки, а после введения стержня в соприкосновение с головкой со стороны ее наружной поверхности, осуществляют его вращение с приложением силы осевого сжатия, пластифицируют и деформируют вступившие в контакт в первую очередь поверхностный слой цилиндрического пояса стержня и кольцевую зону головки в области острого угла между опорной и конусной поверхностями, при этом перемещают стержень и вводят в соприкосновение конусные поверхности стержня и головки, которые нагревают фрикционным теплом и производят сварку;- the outer conical surface of the rod is performed with an additional cylindrical belt located between the cylindrical and conical surfaces with a diameter greater than the smaller diameter of the conical hole of the head, and after the rod is brought into contact with the head from the side of its outer surface, it is rotated by applying axial compression force, plasticize and deform the surface layer of the rod’s cylindrical belt and the annular zone of the head that come into contact in the first place in the region of an acute angle m forward bearing and conical surfaces, wherein the rod is moved and injected into contact tapered surface of the rod and a head, which is heated by frictional heat and produce weld;
- стержень изготавливают с дополнительным захватным участком, расположенным на расширенном конце участка с конусной поверхностью, вращение стержня осуществляют через захватный участок с помощью привода вращения, одновременно с вращением стержня производят давление на захватный участок стержня, создают осевое усилие сжатия деталей и, плавно изменяя его, обеспечивают фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения, продвижение стержня относительно головки и заполнение пластифицированным материалом конусной полости внутри головки, после чего прекращают вращение, охлаждают деталь и отрезают захватный участок стержня на уровне наружной поверхности головки;- the rod is made with an additional gripping section located at the expanded end of the section with a conical surface, the rod is rotated through the gripping section using a rotation drive, simultaneously with the rotation of the rod, pressure is applied to the gripping section of the rod, creating axial compression force of the parts and gradually changing it, provide frictional heating and plasticization of the material in the friction zone, the movement of the rod relative to the head and filling of the conical cavity with plasticized material three heads, after which the rotation is stopped, cooled and cut part of the rod gripping portion at an outer surface of said head;
- головку фиксируют на галтелеобразующей оправке, насаженной на стержень своим цилиндрическим отверстием, выполненным с диаметром, соответствующим диаметру стержня, и снабженной на своем торце формирующей поверхностью с заданным радиусом, после чего осуществляют вращение стержня и сварку деталей.- the head is fixed on a fillet forming mandrel mounted on the rod with its cylindrical hole made with a diameter corresponding to the diameter of the rod and provided with a forming surface with a given radius at its end, after which the rod is rotated and parts are welded.
Использование способа изготовления болтов в соответствии с изобретением позволяет производить крепежные детали из труднообрабатываемых металлов и сплавов, например, из титана, с повышенными прочностными характеристиками за счет: выполнения плавного сопряжения поверхности головки с поверхностью стержня (с галтелью) и выполнения более качественного соединения головки болта со стержнем.Using the method of manufacturing bolts in accordance with the invention allows the production of fasteners from hard-to-work metals and alloys, for example, titanium, with increased strength characteristics due to: smoothly coupling the surface of the head with the surface of the rod (with the fillet) and performing better bonding of the head of the bolt with the core.
Кроме того, процесс обладает повышенной производительностью по сравнению с высадкой болтов, особенно крупноразмерных.In addition, the process has increased productivity compared with the landing of bolts, especially large ones.
Перечень фигур на чертежах.The list of figures in the drawings.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:
- Фиг.1 - показывает детали для производства болтов;- Figure 1 - shows the details for the production of bolts;
- Фиг.2 - показывает схему процесса сборки и сварки деталей для производства болтов в соответствии с изобретением;- Figure 2 - shows a diagram of the process of assembly and welding of parts for the production of bolts in accordance with the invention;
- Фиг.3 - показывает схему сварки с элементами крепления, вращения и перемещения стержня и головки.- Figure 3 - shows a welding circuit with elements of fastening, rotation and movement of the rod and head.
- Фиг.4 - показывает схему сварки с дополнительном цилиндрическим поясом на стержне.- Figure 4 - shows a welding circuit with an additional cylindrical belt on the rod.
- Фиг.5 - показывает схему сварки с дополнительным захватным участком на стержне.- Figure 5 - shows a welding circuit with an additional gripping portion on the rod.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Способ изготовления сваркой трением деталей, преимущественно, типа болт, состоящих из стержня и головки, может быть реализован в соответствии с изобретением следующим образом.A method of manufacturing by friction welding of parts, mainly, a type of bolt, consisting of a rod and a head, can be implemented in accordance with the invention as follows.
Сначала изготавливают под сварку две детали - стержень 1 и головку 2 (фиг.1).First, two parts are made for welding -
Стержень 1 изготавливают с цилиндрическим участком 3 заданного диаметра под резьбу и тело болта на одном конце и участком 4 с конусной наружной поверхностью на другом. Угол конусности (угол при вершине конуса, ограничивающего конусную поверхность) выбирают равным 5-40 градусов, и конусную поверхность стержня выполняют расширяющейся к концу стержня, образуя расширенный торец. Выбранный диапазон обеспечивает качественную сварку деталей при минимальных расходах материала минимальных затратах на механическую обработку. Так, при увеличении угла конусности более 40 градусов затраты на механическую обработку и большой расход материала делают нерентабельным производство болтов сваркой. Уменьшение угла конусности менее 5 градусов не обеспечивает качественное соединение, что также приводит к нецелесообразности производства. При этом меньшие углы конусности выбирают для болтов больших диаметров и при меньших нагрузках на них.The
Головку 2 изготавливают соответствующей размерам головки болта с отверстием с внутренней конусной поверхностью 6. Угол конусности выбирают в том же диапазоне, что и для стержня. В частности, угол конусности головки может быть равным углу конусности стержня. Отверстие выполнено с меньшим диаметром у опорной поверхности 7 головки, но не менее диаметра стержня, и расширяющимся к наружной поверхности 8 головки.The
На стержне конусный участок выполняют с длиной 9 на 1-3 мм больше высоты 10 головки 5.On the rod, the conical section is performed with a length of 9 1-3 mm more than the
Подготовленные под сварку стержень 1 и головку 5 собирают (фиг.2) на установке для сварки:Prepared for welding, the
головку 2 фиксируют на оправке 11, снабженной осевым отверстием и закрепленной на установке;the
стержень 1 цилиндрическим концом вводят в коническое отверстие головки 2 со стороны ее наружной поверхности до появления контакта конусных поверхностей головки и стержня.the
Цилиндрический участок 3 стержня подсоединяют к зажиму с приводом вращения 12, затем вращают стержень с приложением осевого усилия сжатия 13.The
С учетом угла конусности контактных поверхностей осевое усилие определяется таким, которое обеспечивает силу трения (нормальную относительно поверхности трения) величиной, определяемой давлением для титановых сплавов до 100-120 МПа, которое зависит от предела текучести материалов пары трения, температуры нагрева в контактной зоне, размеров и массы соединяемых элементов. Однако рабочий режим сварки (частота вращения стержня ω и усилие трения Р) для конкретных деталей определяется опытным путем в зависимости от материалов и размеров деталей. К примеру, для титанового крепежа с диаметром стержня 10 мм при указанном выше давлении на конусной поверхности частота вращения принималась примерно 100-150 1/сек и процесс сварки длился до 10 сек.Taking into account the taper angle of the contact surfaces, the axial force is determined such that it provides the friction force (normal with respect to the friction surface) by a value determined by pressure for titanium alloys up to 100-120 MPa, which depends on the yield strength of the materials of the friction pair, the heating temperature in the contact zone, sizes and masses of connected elements. However, the operating mode of welding (rod rotation frequency ω and friction force P) for specific parts is determined empirically depending on the materials and dimensions of the parts. For example, for titanium fasteners with a rod diameter of 10 mm at the above pressure on the conical surface, the rotation frequency was taken to be about 100-150 1 / s and the welding process lasted up to 10 seconds.
В результате фрикционного нагрева происходит пластифицирование материала стержня и головки в зоне трения. После чего осуществляют продвижение одной из деталей (стержня или головки) относительно другой.As a result of frictional heating, plasticization of the rod and head material occurs in the friction zone. Then carry out the promotion of one of the parts (rod or head) relative to the other.
После заполнения пластифицированным материалом всего объема внутри конусного отверстия головки, заметному по началу выдавливания лишнего материала, прекращают вращение и охлаждают деталь.After filling the entire volume with plasticized material inside the conical hole of the head, noticeable at the beginning of extrusion of excess material, the rotation is stopped and the part is cooled.
Способ может быть реализован в следующих вариантах исполнения.The method can be implemented in the following embodiments.
Вариант 1. После сборки деталей, фиксации головки и подсоединения стержня к приводу вращения сварку деталей осуществляют следующим образом.
К расширенному торцу стержня подводят упор 20 (фиг.3), создающий осевое усилие сжатия, опорная поверхность которого допускает вращение стержня. Для этого упор снабжается подвижным силовым приводом. При этом стержень удерживается за цилиндрическую часть приводом вращения с зажимом 15 от перемещения.An abutment 20 (FIG. 3) is brought to the expanded end of the rod, creating an axial compression force, the supporting surface of which allows the rotation of the rod. To do this, the emphasis is equipped with a movable power drive. In this case, the rod is held for the cylindrical part by the rotation drive with the
Одновременно с вращением стержня плавно повышают давление упора 20 на расширенный торец.Simultaneously with the rotation of the rod smoothly increase the pressure of the
Тем самым создают усилие трения конусных поверхностей, обеспечивающее фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения головки и стержня и продвижение стержня за счет деформации стержня.This creates a friction force of the conical surfaces, providing frictional heating and plasticization of the material in the friction zone of the head and the rod and the promotion of the rod due to the deformation of the rod.
При этом заполняется пластифицированным материалом конусная полость внутри головки.In this case, the conical cavity inside the head is filled with plasticized material.
После чего прекращают вращение и охлаждают деталь.Then stop the rotation and cool the part.
Вариант 2. После сборки деталей, фиксации головки и подсоединения стержня к зажиму 15 привода вращения сварку деталей осуществляют следующим образом.
К расширенному торцу стержня подводят упор 20 (фиг.3), ограничивающий его перемещение и допускающий вращение стержня. Для этого упор имеет диск 21, контактирующий с торцом стержня и допускающий его вращение.An emphasis 20 (FIG. 3) is brought to the expanded end of the rod, limiting its movement and allowing rotation of the rod. To do this, the emphasis has a
Одновременно с вращением стержня производят давление оправки 16 на опорную поверхность 22 головки, создавая осевое усилие сжатия деталей и плавно повышая его.Simultaneously with the rotation of the rod, the pressure of the
За счет чего производят фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения (контакта конусных поверхностей) стержня и головки, а также продвижение головки относительно стержня и заполнение пластифицированным материалом конусной полости внутри головки.Due to this, frictional heating and plasticization of the material in the friction zone (contact of the conical surfaces) of the rod and the head are performed, as well as the head is moved relative to the rod and the conical cavity is filled with plasticized material inside the head.
Продвижение стержня осуществляют до совпадения торцевой поверхности стержня с наружной поверхностью головки или до появления выдавливания лишнего материала.The promotion of the rod is carried out until the end surface of the rod coincides with the outer surface of the head or until extrusion of excess material occurs.
После чего прекращают вращение и охлаждают деталь.Then stop the rotation and cool the part.
Вариант 3. Стержень 1 изготавливают с конусной наружной поверхностью на одном конце и с цилиндрическим участком под резьбу на другом.
На стержне между конусным и цилиндрическим участками, в начале конусной поверхности, выполняют цилиндрический пояс 32 (фиг.4) длиной 3-5 мм и диаметром, превышающим меньший диаметр конусного отверстия головки 5 на 1-3 мм, в зависимости от диаметра стержня.On the rod between the conical and cylindrical sections, at the beginning of the conical surface, a cylindrical belt 32 (Fig. 4) is made 3-5 mm long and with a diameter exceeding the smaller diameter of the conical hole of the head 5 by 1-3 mm, depending on the diameter of the rod.
Одновременно с вращением стержня и приложением силы сжатия пластифицируют и деформируют вступившие в контакт в первую очередь поверхностный слой цилиндрического пояса стержня и кольцевую зону острого угла между опорной и конусной поверхностями головки 26. При этом осевой силой сжатия эту зону отгибают, чем способствуют образованию более плавного сопряжения ее с опорной поверхностью 31 головки. Продолжают вращение и перемещение стержня, вводят в соприкосновение конусные поверхности стержня и головки, вращают стержень и производят сварку.Simultaneously with the rotation of the rod and the application of compression forces, the surface layer of the rod’s cylindrical belt and the annular zone of the acute angle between the support and conical surfaces of the
Вариант 4. Целесообразно выполнение способов 1, 2, 3 производить следующим образом.Option 4. It is advisable to carry out
Головку фиксируют на оправке 16 (фиг.3), насаженной на стержень своим цилиндрическим отверстием, выполненным с диаметром, соответствующим диаметру стержня, и снабженной на своем торце формирующей поверхностью 17 заданного радиуса. После чего выполняют вращение стержня и сварку вышеописанным образом.The head is fixed on the mandrel 16 (Fig.3), mounted on the rod with its cylindrical hole made with a diameter corresponding to the diameter of the rod, and provided at its end with a forming
При выполнении сварки с галтелеобразующими оправками пластифицированный материал стержня и головки под воздействием осевого усилия сжатия заполняет пространство между формирующей поверхностью оправки и опорной поверхностью головки. Таким образом, образуется галтель на стержне у опорной поверхности головки, обеспечивающая повышение усталостной прочности болта.When welding with fillet forming mandrels, the plasticized material of the rod and head under the influence of axial compression forces fills the space between the forming surface of the mandrel and the supporting surface of the head. Thus, a fillet is formed on the rod at the support surface of the head, providing an increase in the fatigue strength of the bolt.
Вариант 5. Стержень 33 изготавливают с конусной наружной поверхностью на одном конце и с цилиндрическим участком под резьбу на другом.Option 5. The
Угол конусности выбирают равным 5-40 градусов, конусную поверхность стержня выполняют расширяющейся к концу стержня. Участок с наружной конической поверхностью стержня 33 (фиг.5), расширяющийся к концу стержня, и длиной, превышающей длину конической поверхности головки, выполняют с дополнительным захватным участком 40, расположенным на расширенном конце участка с конусной поверхностью, например, цилиндрической формы.The taper angle is chosen equal to 5-40 degrees, the conical surface of the rod is made expanding towards the end of the rod. The section with the outer conical surface of the rod 33 (Fig. 5), expanding towards the end of the rod, and with a length exceeding the length of the conical surface of the head, is performed with an additional
После сборки деталей, фиксации головки на оправке 35 стержень подсоединяют к приводу вращения зажимом 39 захватным участком 40 и сварку деталей осуществляют следующим образом.After assembling the parts, fixing the head on the
Вращение стержня и создание осевого усилия осуществляют через захватный участок с помощью привода вращения, способного создавать осевое усилие. Осевое усилие можно создавать также осевым перемещением головки от привода осевого перемещения оправки при неподвижном в осевом направлении зажима шпинделя.The rotation of the rod and the creation of axial force is carried out through the gripping section using a rotation drive capable of creating axial force. The axial force can also be created by axial movement of the head from the drive of the axial movement of the mandrel when the spindle clamp is stationary in the axial direction.
Одновременно с вращением стержня производят давление на захватный участок стержня или головки, создавая осевое усилие сжатия деталей и плавно повышая его.Simultaneously with the rotation of the rod, pressure is applied to the gripping portion of the rod or head, creating an axial compression force of the parts and gradually increasing it.
Тем самым создают необходимое усилие трения конусных поверхностей, за счет чего производят фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения (контакта конусных поверхностей) стержня и головки, продвижение стержня относительно головки или головки относительно стержня и заполнение пластифицированным материалом конусной полости внутри головки. После чего прекращают вращение, охлаждают деталь и отрезают захватный участок стержня на уровне наружной поверхности головки.This creates the necessary friction force of the conical surfaces, due to which frictional heating and plasticization of the material in the friction zone (contact of the conical surfaces) of the rod and head are performed, the rod is moved relative to the head or head relative to the rod and the conical cavity is filled with plasticized material inside the head. Then stop the rotation, cool the part and cut off the gripping portion of the rod at the level of the outer surface of the head.
Варианты реализации способа приведены на примере изготовления болтов. Однако способ может быть использован и для изготовления других деталей, имеющих стержень и массивную часть.Variants of the method are shown on the example of the manufacture of bolts. However, the method can be used for the manufacture of other parts having a rod and a massive part.
При изготовлении деталей типа болт по предлагаемым способам из активных материалов трением, к примеру, из титановых сплавов, установку оснащают газозащитными устройствами, исключающими контакт деталей, нагреваемых до температур выше 200°С, с атмосферным воздухом.When manufacturing parts of the bolt type according to the proposed methods from friction active materials, for example, from titanium alloys, the installation is equipped with gas-shielding devices that exclude the contact of parts heated to temperatures above 200 ° C with atmospheric air.
Оборудование для реализации способа.Equipment for implementing the method.
Варианты выполнения способа могут быть реализованы следующим образом.Embodiments of the method can be implemented as follows.
Все варианты способа могут быть реализованы на стандартном оборудовании - токарном или вертикально-фрезерном станках, позволяющих воспроизводить основные технологические параметры процесса сварки трением - вращение с регулируемой в широком диапазоне частотой одной детали (стержня) относительно неподвижной другой детали (головки болта) от привода вращения шпинделя с зажимным устройством.All variants of the method can be implemented on standard equipment - turning or vertically milling machines, allowing to reproduce the main technological parameters of the friction welding process - rotation with a frequency that is adjustable in a wide range of frequency of one part (rod) relative to the stationary other part (bolt head) from the spindle rotation drive with clamping device.
Привод вращения шпинделя - электромеханический.The spindle rotation drive is electromechanical.
Для создания осевого усилия сжатия стержня с головкой суппорт или задняя бабка станка оснащены приводом осевого перемещения одной из свариваемых деталей (головки или стержня). Привод осевого перемещения бабки станка - гидравлический или электромеханический.To create an axial compression force of the rod with the head, the caliper or the tailstock of the machine are equipped with an axial drive of one of the parts to be welded (head or rod). The axial movement drive of the machine head is hydraulic or electromechanical.
Зажимное устройство шпинделя не допускает проскальзывания детали (цилиндрического участка стержня) вдоль оси под воздействием осевого усилия и прокручивания ее от вращающего момента.The clamping device of the spindle prevents slipping of the part (cylindrical portion of the rod) along the axis under the influence of axial force and scrolling it from the torque.
На суппорте (или на каретке) станка размещены галтелеобразующая оправка и зажимные колодки, а также механизмы их сведения - разведения, например, винтовые, клиновые, закрепленные на специальных кронштейнах.On the support (or on the carriage) of the machine there is a fillet-forming mandrel and clamping pads, as well as mechanisms for their information - breeding, for example, screw, wedge mounted on special brackets.
Галтелеобразующая оправка может быть выполнена раздвижной и монолитной конструкции.The fillet forming mandrel can be made sliding and monolithic design.
При монолитной конструкции оправки упрощается сборка под сварку, однако, ускоряется износ контактной поверхности оправки, появляются зазоры и люфты недопустимой величины (более 0,2 мм). Поэтому требуется введение в конструкцию сменных втулок из износостойкого материала.With a monolithic mandrel design, assembly for welding is simplified, however, wear of the contact surface of the mandrel is accelerated, gaps and backlash of an unacceptable size (more than 0.2 mm) appear. Therefore, the introduction of replaceable bushings of wear-resistant material is required.
Вместо центра на задней бабке станка установлен свободно вращающийся упор с опорным диском, передающим осевое усилие на расширенный торец стержня.Instead of the center, a freely rotating stop with a support disk is installed on the tailstock of the machine, transmitting axial force to the extended end of the rod.
Вариант 1 (фиг.3).Option 1 (figure 3).
Устанавливают головку болта 18 между зажимными колодками 19 на галтелеобразующую оправку 16; вводят цилиндрический конец стержня 14 в коническое отверстие головки 18 со стороны его большего диаметра и продвигают стержень до появления контакта конусных поверхностей стержня и головки. Сводят зажимные колодки 19 с помощью механизма сведения - разведения; подсоединяют зажимом 15 стержень 14 к приводу вращения станка (на фиг. не показано). Затем сводят галтелеобразующую оправку 16 на цилиндрическом участке стержня, устанавливая ее вплотную формирующей поверхностью 17 к опорной поверхности 22 головки 18, и фиксируют в этом положении. Галтелеобразующая оправка предназначена для формирования галтели и одновременно служит жесткой опорой для головки при последующем приложении осевого усилия к расширенному торцу стержня 14.Set the head of the
После фиксации головки 18 и стержня 14 подводят с помощью привода осевого перемещения упор 20 с диском 21 до контакта с расширенным торцом стержня. Включают привод вращения зажима 15 с закрепленным в нем стержнем 14. Плавно повышают давление свободно вращающимся упором 20 с диском 21 на расширенный торец стержня 14 посредством привода перемещения вдоль оси подвижной бабки станка. Тем самым прикладывают усилие трения к конусным поверхностям вращающегося стержня 14 и неподвижной головки 18.After fixing the
Если требуется дополнительный приток теплоты в зону трения, можно застопорить упор 20 с диском 21, остановив их вращение, и создать этим дополнительную пару трения: стержень 14 - диск 21.If additional heat influx into the friction zone is required, it is possible to stop the
В результате работы сил трения контактных конических поверхностей стержня 14 и головки 18, возникающего при вращении стержня относительно головки с их сжатием, обеспечивают фрикционный нагрев и пластифицирование материала в зоне трения головки и стержня. При этом обеспечивается продвижение стержня относительно головки и заполнение пластифицированным материалом конусной полости внутри головки. В контакте возникает металлическая связь - неразъемное сварное соединение. При этом галтелеобразующая оправка 16 своей формирующей поверхностью 17 образует галтель. Выступающая часть расширенного конца стержня 14 продвигается практически до совмещения его торца с лицевой поверхностью головки.As a result of the work of the friction forces of the contact conical surfaces of the
После этого выключают привод вращения и сваренная деталь охлаждается. Отводят упор 20 с упорным диском 21, разводят зажимные колодки 19 и галтелеобразующую оправку 16 и готовую деталь (заготовку болта под резьбу) освобождают из зажима 15.After that, the rotation drive is turned off and the welded part is cooled. The
Вариант 2 (фиг.3).Option 2 (figure 3).
Второй вариант изготовления детали типа болт реализуется с использованием того же оборудования, что и первый вариант при той же последовательности сборки под сварку с тем отличием, что при первом варианте усилие прикладывают к расширенному торцу стержня посредством подвижного упора с упорным диском, при неподвижной галтелеобразующей оправки, а при втором варианте усилие прикладывают к оправке при неподвижном упоре.The second embodiment of the manufacture of a part of the bolt type is implemented using the same equipment as the first version with the same assembly sequence for welding, with the difference that in the first embodiment, the force is applied to the expanded end of the rod by means of a movable stop with a thrust disk, with a stationary fillet-forming mandrel, and in the second embodiment, the force is applied to the mandrel with a fixed stop.
Процесс осуществляется следующим образом.The process is as follows.
После сборки и фиксации головки в зажимных колодках и стержня в зажиме 15 шпинделя подводят упор 20 с диском 21, установленный вместо центра в гнездо задней бабки станка неподвижно (в направлении оси), до касания с расширенным торцом стержня.After assembling and fixing the head in the clamping blocks and the shaft in the
Галтелеобразующую оправку 16 устанавливают формирующей поверхностью 17 вплотную к опорной поверхности 22 головки. Включают приводы вращения стержня и перемещения (по оси) суппорта с оправкой. Галтелеобразующую оправку 16 и головку 18 в зажимных колодках 19, ограничивающих вращение головки, перемещают от привода суппорта по оси, создавая давление оправки 16 на опорную поверхность 22 головки и тем самым усилие сжатия контактных поверхностей. Вращением стержня при усилии сжатия контактных поверхностей нагревают и пластифицируют металл в зоне контакта, при этом продвигают головку относительно стержня, заполняют пластифицированным материалом стержня конусную полость внутри головки.The
После этого выключают привод вращения и сваренная деталь охлаждается; после чего отводят упор 20 с упорным диском 21 и разводят зажимные колодки 19 и галтелеобразующую оправку 16 и готовую деталь (заготовку болта под резьбу) освобождают из зажима 15.After that, the rotation drive is turned off and the welded part is cooled; then the
Вариант 3 (фиг.4).Option 3 (figure 4).
Третий вариант изготовления детали типа болт, предусматривающий наличие на стержне 23 дополнительного цилиндрического пояса 32, может быть реализован на том же оборудовании, что и вариант 1 и вариант 2.The third embodiment of the manufacture of a part of the type of bolt, providing for the presence on the
Технологическую последовательность сварки по варианту 3 (с дополнительным цилиндрическим поясом между цилиндрической и конической частью стержня) можно выполнять аналогично как по схеме варианта 1, так и по схеме варианта 2.The technological sequence of welding according to option 3 (with an additional cylindrical belt between the cylindrical and conical part of the rod) can be performed similarly both according to the scheme of
Для сварки по варианту 1 станок (типа токарного) оснащают гидросистемой, передающей давление от гидроцилиндра через шток на заднюю бабку станка, в центр которой установлен упор 28 с диском 29. Фиксируют головку 26 сведением зажимных колодок 27. После включения привода вращения стержня, закрепленного в зажиме 24 шпинделя, включают гидропривод и перемещают на произвольной скорости заднюю бабку с упором 28 до контакта его с торцом расширенного конца стержня. Продолжают продвижение стержня на регулируемой скорости за счет деформации нагретого до пластифицированного металла. При этом пластифицируется и деформируется сначала дополнительный цилиндрический пояс 32 стержня 23 и кольцевая зона головки в области острого угла между опорной 31 и конусной поверхностями. После соприкосновения конусных поверхностей стержня 23 и головки 26 происходит деформация материала по всей контактной поверхности с образованием соединения с галтелью.For welding according to
При появлении выдавливаемого лишнего материала гидросистему отключают, отводят упор, разводят зажимные колодки и галтелеобразующую оправку, деталь освобождают из зажима шпинделя и охлаждают.When extruded excess material appears, the hydraulic system is turned off, the emphasis is removed, clamping blocks and a fillet forming mandrel are parted, the part is released from the spindle clamp and cooled.
При сварке по варианту 3 с технологической последовательностью и схемой варианта 2 для осевого продвижения головки 26 и создания усилия сжатия контактных поверхностей стержня 23 и головки 26 служит электромеханический привод продольного перемещения суппорта токарного станка (или привод вертикального перемещения каретки фрезерного станка), на котором размещена оправка 25, воспринимающая усилие от привода и перемещающаяся вместе с суппортом. Галтелеобразующая оправка 25 своей формирующей поверхностью 30 передает усилие привода на опорную поверхность 31 головки и продвигает ее по оси.When welding according to
При этом расширенный торец стержня 23 упирается в неподвижный упор 28, закрепленный в центре неподвижной задней бабки станка. Продвижение галтелеобразующей оправки 25 при этом происходит за счет деформации пластифицированного материала в последовательности аналогично сварке по схеме варианта 1.In this case, the expanded end face of the
Вариант 4 (фиг.5).Option 4 (figure 5).
Четвертый вариант изготовления детали типа болт, предусматривающий выполнение на стержне 33 дополнительного захватного участка 40, может быть реализован следующим образом.A fourth embodiment of the manufacture of a part of the type of bolt, providing for the implementation on the
Дополнительный захватный участок 40, расположенный на расширенном конце стержня 33, закрепляют в зажиме 39 подвижной бабки станка, снабженной приводом вращения и перемещения вдоль оси; нанизывают головку 36 большим диаметром конуса на стержень через его цилиндрический участок под резьбу и продвигают ее по стержню до упора. Затем передвигают суппорт с закрепленными на нем неподвижно раздвижными колодками 37 и галтелеобразующей оправкой 34 до касания формирующей поверхностью 35 оправки с опорной поверхностью головки 38. Сводят раздвижную оправку 34 до цилиндрической поверхности стержня 33 под резьбу, при этом прижимают формирующую поверхность 35 оправки к опорной поверхности головки 38, фиксируют оправку в этом положении закреплением суппорта неподвижно. Сводят зажимные колодки 37, чем удерживают головку от вращения, совместного с вращением стержня. После этого включают привод вращения зажима 39 и прикладывают осевое усилие Р посредством привода перемещения бабки станка вдоль оси и производят сварку.An additional gripping
После окончания сварки раздвигают колодки 37 и оправку 34, отводят суппорт, освобождают стержень 33 из зажима 39 и охлаждают деталь. Захватный участок 40 стержня отрезают на уровне наружной поверхности головки.After welding, the
Этот вариант можно осуществлять при осевом продвижении головки от привода суппорта с опорой на захватной участок стержня, зафиксированный в суппорте неподвижной бабки станка.This option can be carried out with axial advancement of the head from the caliper drive with support on the gripping portion of the rod, fixed in the caliper of the stationary headstock of the machine.
Вариант 4 более просто реализуется на оборудовании типа вертикально-фрезерный станок.Option 4 is more easily implemented on equipment such as a vertical milling machine.
В этом случае, на каретке станка под шпинделем с зажимом 39, в который вставляют и фиксируют дополнительный захватный участок стержня, установлена неподвижно площадка, жестко связанная с кареткой; на площадке закрепляют неподвижно с помощью болтовых соединений кронштейны для крепления опорной галтелеобразующей оправки 34 и зажимных колодок 37.In this case, on the machine carriage under the spindle with a
Сборку под сварку осуществляют следующим образом.Assembly for welding is as follows.
Стержень 33 цилиндрической частью вниз вставляют между зажимными колодками 37 и галтелеобразующей оправкой 34 (или в отверстие оправки 34 при ее монолитной конструкции) до упора; сводят оправку 34 и зажимные колодки 37. Затем приводом вертикального перемещения каретку перемещают вверх и вводят дополнительный захватный участок 40 стержня в зажим шпинделя 39 и фиксируют. После этого включают привод вращения шпинделя станка и привод вертикального перемещения каретки на подъем, создавая тем самым усилие трения в контактных конических поверхностях стержня и головки. По окончании сварки выключают привод вертикального перемещения каретки, разводят оправку 34 и зажимные колодки 37 и включают его для перемещения вниз до выведения стержня 33 из отверстия. Освобождают захватной участок 40 стержня из зажима шпинделя станка, охлаждают деталь и отрезают захватной участок 40 на уровне наружной поверхности головки.The
Использование способа изготовления болтов в соответствии с изобретением позволяет производить крепежные детали из труднообрабатываемых металлов и сплавов, например, из титана, с повышенными прочностными характеристиками за счет: выполнения плавного сопряжения поверхности головки с поверхностью стержня (с галтелью) и выполнения более качественного соединения головки болта со стержнем.Using the method of manufacturing bolts in accordance with the invention allows the production of fasteners from hard-to-process metals and alloys, for example, titanium, with improved strength characteristics due to: smoothly coupling the surface of the head with the surface of the rod (with the fillet) and performing better bonding of the head of the bolt with the core.
Кроме того, процесс обладает повышенной производительностью по сравнению с высадкой болтов, особенно крупноразмерных.In addition, the process has increased productivity compared with the landing of bolts, especially large ones.
К преимуществам предлагаемых схем процесса можно отнести возможность повышения производительности путем организации группового метода сборки-сварки, когда сборку можно производить отдельно в круговых кассетных приспособлениях и подавать на сварочную установку, где по запрограммированному циклу последовательно сваривать все детали, подавая каждую в зону сварки специальным поворотным устройством.The advantages of the proposed process schemes include the possibility of increasing productivity by organizing a group method of assembly-welding, when assembly can be performed separately in circular cassette devices and fed to a welding installation, where all parts are sequentially welded in a programmed cycle, feeding each to the welding zone with a special rotary device .
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006130217/02A RU2327554C2 (en) | 2006-08-22 | 2006-08-22 | Method of manufacturing items of mostly bolt type by welding and friction |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006130217/02A RU2327554C2 (en) | 2006-08-22 | 2006-08-22 | Method of manufacturing items of mostly bolt type by welding and friction |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006130217A RU2006130217A (en) | 2008-02-27 |
| RU2327554C2 true RU2327554C2 (en) | 2008-06-27 |
Family
ID=39278572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006130217/02A RU2327554C2 (en) | 2006-08-22 | 2006-08-22 | Method of manufacturing items of mostly bolt type by welding and friction |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2327554C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2663190C2 (en) * | 2014-01-31 | 2018-08-02 | ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи | Friction-welded electrical ground and methods of making ground |
| RU2793359C2 (en) * | 2021-03-30 | 2023-03-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет" | Friction welding method |
-
2006
- 2006-08-22 RU RU2006130217/02A patent/RU2327554C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2663190C2 (en) * | 2014-01-31 | 2018-08-02 | ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи | Friction-welded electrical ground and methods of making ground |
| RU2793359C2 (en) * | 2021-03-30 | 2023-03-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет" | Friction welding method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006130217A (en) | 2008-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110216366B (en) | Circumferential friction welding method and device for aluminum alloy pipe | |
| KR102072171B1 (en) | Method of riveting | |
| US7669750B2 (en) | Method for forming a preform for a structural assembly | |
| US6227433B1 (en) | Friction welded fastener process | |
| KR101548792B1 (en) | Out of position friction stir welding of casing and small diameter tubing or pipe | |
| JP5118801B2 (en) | Method for forming a desired non-planar configuration with a friction stir forming tool, and method and apparatus for forming a workpiece in a desired non-planar configuration | |
| US8205785B2 (en) | Counter-rotating spindle for friction stir welding | |
| CA1050306A (en) | Friction welding methods and apparatus | |
| CN113500287B (en) | Friction welding material increase equipment and method | |
| JP2011000620A (en) | Method of joining pipe and member to be joined | |
| US10543717B2 (en) | Variable-wall light-weight axle shaft with an integral flange member and method for making the same | |
| US3777360A (en) | Friction welding process | |
| CN106925883B (en) | The radially superimposed formula Friction Stir Welding of large thick-wall ring increases material forming technology | |
| JP2002514512A (en) | Friction rotary welding tool | |
| CN102615508A (en) | Metal plate rotating friction riveting method | |
| US3504425A (en) | Method of friction welding | |
| CN102059267A (en) | Inside screw cylindrical gear rotary cold extruding die | |
| CN112916998A (en) | Deep hole structure repairing method based on friction plunger welding and stopper rod applied by same | |
| EP3144095A1 (en) | Inertia welding method | |
| Nicholas | Radial friction welding | |
| CN110899952A (en) | Drawing type friction plug repair welding spindle head device with rotary shaft shoulder | |
| RU2327554C2 (en) | Method of manufacturing items of mostly bolt type by welding and friction | |
| US20180056433A1 (en) | Metallic member bonding device for pressing rod-shaped or cylindrical first metallic member into hole portion of annular second metallic member to bond the same and bonding method therefor | |
| JP2000312981A (en) | Coating method of cylinder inner face | |
| CN114406439B (en) | Claw type rivet suitable for friction stir rivet welding and friction stir rivet welding method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180823 |