RU2648916C1

RU2648916C1 - Method and stamp for ball valves large-sized cuttings manufacturing

Info

Publication number: RU2648916C1
Application number: RU2017106807A
Authority: RU
Inventors: Алексей Эдуардович Артес
Original assignee: Акционерное общество "Алексинский завод тяжёлой промышленной арматуры" (АО "Тяжпромарматура")
Priority date: 2017-03-01
Filing date: 2017-03-01
Publication date: 2018-03-28

Abstract

FIELD: technological processes; metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to the treatment of metals by pressure and can be used in the manufacture of bulky ball plugs having a spherical shape with a central cylindrical bore. Stamp contains a split banded matrix die and a cylindrical combined punch. Matrix die consists of the upper and lower semimatrixes arranged to form a cavity for placing the initial tube blank. Internal walls of the semimatrix are made with a spherical section. Spherical section on the inner wall of the lower semimatrix has a ledge providing centering of the tube blank in the matrix. Punch consists of two co-axially arranged parts. Contact area of the external part of the punch has a spherical section with a ledge similar to the shoulder of the lower semimatrix.

EFFECT: as a result, the productivity of the process of making stoppers and the quality of the products obtained is increased.

6 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и обработки металлов давлением, в частности, при изготовлении деталей трубопроводной арматуры с применением гидравлического пресса двойного действия, и может быть использовано при получении крупногабаритных цельнометаллических поковок, предназначенных для изготовления пробок шаровых кранов. The invention relates to the field of mechanical engineering and metal forming, in particular, in the manufacture of parts of pipe fittings using a double-acting hydraulic press, and can be used to obtain large-sized all-metal forgings intended for the manufacture of ball valve plugs.

Из уровня техники известен штамп для изготовлении полых заготовок пробок шаровых кранов (патент РФ №82148), содержащий нижнюю и верхнюю полуматрицы с полушаровыми рабочими поверхностями и элементы, центрирующие полуматрицы между собой и обеспечивающие образование кольцевого выступа в экваториальном сечении, при этом нижняя и верхняя полуматрицы с полушаровыми рабочими поверхностями снабжены у оснований коническими упорами, линия разъема полуматриц выполнена с радиальными выступами и впадинами с размерами в зависимости от величины осадки заготовки для получения внутреннего кольцевого ребра заданного размера в экваториальном сечении, центрирование полуматриц между собой обеспечивают направляющие колонки и отверстия в полуматрицах, или направляющие колонки и втулки штампа, или направляющие колонки пресса, а для получения плоско-шаровых заготовок нижняя и верхняя полуматрицы с полушаровыми рабочими поверхностями дополнительно снабжены закрепленными разъемными полукруглыми вкладышами с внутренним конусом и радиальными выступами и впадинами, совпадающими с выступами и впадинами полуматриц.A stamp is known from the prior art for the manufacture of hollow billets for ball valve plugs (RF patent No. 82148), comprising lower and upper half-matrices with hemispherical working surfaces and elements that center the half-matrices together and provide the formation of an annular protrusion in the equatorial section, while the lower and upper half-matrices with hemispherical working surfaces are provided with conical stops at the bases, the half-matrix connector line is made with radial protrusions and depressions with dimensions depending on the size of the wasp guides for obtaining an inner annular rib of a given size in the equatorial section, centering of the half-matrices between each other is provided by guide columns and holes in the half-matrices, or guide columns and die bushings, or guide-columns of the press, and to obtain flat-ball blanks, the lower and upper half-matrix with hemispherical work surfaces are additionally equipped with fixed detachable semicircular liners with an inner cone and radial protrusions and troughs coinciding with the protrusion and hollows of semi-matrices.

Из уровня техники известен способ изготовления поковок пробок шаровых кранов методом облойной штамповки на высокоскоростном молоте Чебаркульского завода. Однако используемая технология подразумевает необходимость удаления перемычки и облоя в специальном штампе на кривошипном прессе. При этом максимальный размер поковки при изготовлении методом облойной штамповки ограничен Ду 500 мм.The prior art method for the manufacture of forgings of plugs of ball valves by the method of flash stamping on a high-speed hammer of the Chebarkul plant. However, the technology used implies the need to remove the jumper and burr in a special die on a crank press. In this case, the maximum size of the forgings in the manufacture by the method of flash stamping is limited to DN 500 mm.

Известен также метод изготовления пробок посредством их литья (целой пробки или двух полусфер), раскрытый в патенте № 2393047. Основной недостаток указанного способа заключается в значительной массе получаемых в результате литья изделий – из-за больших припусков, а также возможность частого брака литья, усложняющая контроль.There is also a known method of manufacturing corks by casting them (a whole cork or two hemispheres), disclosed in patent No. 2393047. The main disadvantage of this method is the significant mass of products obtained as a result of casting due to large allowances, as well as the possibility of frequent casting defects, which complicates the control.

Наиболее эффективной известной технологией, принятой за прототип, на данный момент является способ ковки полуфабриката поковки пробки шарового крана диаметром не более 1000 мм из слитков с использованием прошивки отверстия и предварительной раскатки на ковочном гидравлическом прессе и окончательной операции раскатки на радиально-аксиальной кольцераскатной машине. Данная технология реализуется на итальянском предприятии "Форджатура Модерна Арезе С.п.A." (http://www.fmaspa.it/azienda_ru.html).The most effective known technology adopted for the prototype, at the moment, is a method of forging a semi-finished product forging a ball valve plug with a diameter of not more than 1000 mm from ingots using hole piercing and preliminary rolling on a forging hydraulic press and the final rolling operation on a radial axial ring rolling machine. This technology is implemented at the Italian enterprise "Forgatura Modernna Arese S.p.A." (http://www.fmaspa.it/azienda_ru.html).

Основным недостатком данной технологии является необходимость ковки полуфабриката с использованием трудоемкой операции прошивки отверстия в поковке. The main disadvantage of this technology is the need for forging a semi-finished product using the laborious operation of flashing a hole in a forging.

Заявляемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков. При этом задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа изготовления крупногабаритных пробок шаровых кранов из трубных заготовок на Ду 500-1000 мм, а также создание штампа для реализации такого способа.The invention is aimed at eliminating these disadvantages. At the same time, the problem to be solved by the claimed invention is directed is the creation of a method for manufacturing large-sized plugs of ball valves from tube blanks on DN 500-1000 mm, as well as the creation of a stamp for implementing this method.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении повышения производительности изготовления пробок, технологичности и упрощения процесса штамповки при сохранении эксплуатационных характеристик получаемых деталей. Кроме того, достигается повышение качества структуры металла пробки за счет пластического деформирования, а также снижение расхода металла. The technical result achieved by using the claimed invention is to provide increased productivity in the manufacture of corks, manufacturability and simplification of the stamping process while maintaining the operational characteristics of the parts obtained. In addition, an increase in the quality of the structure of the cork metal due to plastic deformation is achieved, as well as a decrease in metal consumption.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления крупногабаритных пробок шаровых кранов, имеющих сферическую форму с центральным проходным цилиндрическим отверстием, согласно техническому решению включает нагрев и размещение исходной трубной заготовки в матрице штампа гидравлического пресса двойного действия, горячую высадку исходной трубной заготовки с ее деформацией за один ход ползуна пресса по схеме всестороннего неравномерного сжатия, при этом обеспечивают радиальное течение металла в пространство между стенкой матрицы и пуансоном. Поставленная задача также решается тем, что штамп для изготовления крупногабаритных пробок шаровых кранов, согласно техническому решению, включает разъемную бандажированную матрицу, состоящую из верхней и нижней полуматриц, выполненных с образованием полости для размещения исходной трубной заготовки, при этом внутренние стенки матрицы частично выполнены сферическими, а верхняя полуматрица прикреплена к наружному ползуну гидравлического пресса, цилиндрический комбинированный пуансон, прикрепленный к внутреннему ползуну гидравлического пресса, выполненный с возможностью перемещения в полости матрицы, состоящий из двух коаксиально расположенных деталей, при этом в нижней полуматрице со стороны сферической стенки выполнен уступ, обеспечивающий центрирование исходной заготовки относительно оси штампа, а контактная поверхность внешней детали цилиндрического пуансона частично выполнена сферической. Сферическая часть стенок матрицы и контактная поверхность пуансона имеют одинаковый радиус кривизны сферы. Внешний диаметр пуансона составляет от 1,01 до 1,02 внутреннего диаметра исходной трубной заготовки. Толщину стенки исходной трубной заготовки S выбирают исходя из соотношения S= h/n, где h высота сферического участка внутренней стенки матрицы, а n – коэффициент, равный 2,7-3,5.The problem is solved in that the method of manufacturing large-sized plugs of ball valves having a spherical shape with a central bore hole, according to the technical solution, includes heating and placing the original tube billet in the die matrix of a double-acting hydraulic press, hot upsetting the tube billet with its deformation in one the stroke of the press slide according to the scheme of comprehensive non-uniform compression, while ensuring a radial flow of metal into the space between the wall of the mat Itza and the punch. The problem is also solved by the fact that the stamp for the manufacture of large-sized plugs of ball valves, according to the technical solution, includes a detachable bandaged matrix, consisting of upper and lower half-matrices, made with the formation of a cavity to accommodate the original tube billet, while the inner walls of the matrix are partially spherical, and the upper half-matrix is attached to the outer slider of the hydraulic press, the cylindrical combined punch attached to the inner slider is hydraulically press, made with the possibility of movement in the cavity of the matrix, consisting of two coaxially arranged parts, with a step made in the lower half-matrix on the side of the spherical wall, which ensures centering of the initial workpiece relative to the axis of the stamp, and the contact surface of the outer part of the cylindrical punch is partially spherical. The spherical part of the walls of the matrix and the contact surface of the punch have the same radius of curvature of the sphere. The outer diameter of the punch is from 1.01 to 1.02 of the inner diameter of the original tube billet. The wall thickness of the initial tube stock S is selected based on the ratio S = h / n, where h is the height of the spherical portion of the inner wall of the matrix, and n is a coefficient of 2.7-3.5.

Изобретение поясняется следующими чертежом, на котором представлена схема заявляемого штампа для изготовления крупногабаритных пробок шаровых кранов.The invention is illustrated by the following drawing, which shows a diagram of the inventive stamp for the manufacture of bulky plugs of ball valves.

Позициями на чертеже обозначены:The positions in the drawing indicate:

1 - исходная заготовка,1 - initial procurement,

2 - плита штампа, прикрепленная к наружному ползуну пресса,2 - stamp plate attached to the outer slider of the press,

3 - комбинированный пуансон, прикрепленный к внутреннему ползуну пресса,3 - combined punch attached to the inner slider of the press,

4 - верхняя полуматрица, прикрепленная к наружному ползуну пресса,4 - upper half-matrix attached to the outer slider of the press,

5 - поковка пробки шаровой,5 - forging ball plugs,

6 - бандаж,6 - bandage,

7 - нижняя полуматрица, прикрепленная к нижней плите штампа,7 - lower half-matrix attached to the bottom plate of the stamp,

8 - бандаж,8 - bandage

9 - закаленная подкладная плита,9 - hardened underlay plate,

10 - выталкиватель в штампе,10 - ejector in the stamp,

11 - толкатель пресса,11 - press pusher,

12 - нижняя плита штампа.12 - bottom plate stamp.

Обозначения, использованные на чертеже:Designations used in the drawing:

Р₁ – сила прижима на наружном ползуне пресса;P ₁ - the force of the clamp on the outer slider of the press;

Р₂ – сила высадки на внутреннем ползуне пресса;P ₂ - force landing on the inner slider of the press;

D – диаметр получаемой поковки;D is the diameter of the resulting forgings;

d_n – диаметр цилиндрической внутренней детали пуансона;d _n is the diameter of the cylindrical inner part of the punch;

d_m – диаметр матрицы;d _m is the diameter of the matrix;

Н – высота заготовки;H is the height of the workpiece;

h – высота сферического участка матрицы.h is the height of the spherical portion of the matrix.

Заявляемый штамп представляет собой разъемный инструмент, монтируемый к гидравлическому прессу двойного действия для изготовления пробок шаровых кранов большого диаметра. Штамп содержит разъемную матрицу, состоящую их верхней 4 и нижней 7 полуматриц, расположенных с образованием полости для размещения исходной трубной заготовки 1. Матрица снабжена бандажами 4 и 6 для каждой полуматрицы соответственно. Матрица запрессована в бандаж с натягом до 2,5 мм. Угол запрессовки стандартный – около 1,5°. Внутренние стенки полуматриц частично выполнены сферическими, при этом при смыкании полуматриц сферический участок является продолжающимся с одной полуматрицы на другую. Кривизна сферы в данном слечае определяется кривизной изготавливаемой пробки. В нижней полуматрице на сферическом участке выполнен технологический уступ, обеспечивающий возможность центрирования исходной заготовки в матрице штампа. Нижняя полуматрица закреплена к закаленной подкладной плите 9, которая в свою очередь установлена на нижней плите штампа. Верхняя полуматрица и ее бандаж закреплены к наружному ползуну пресса. Штамп включает комбинированный цилиндрический пуансон 3, состоящий из двух деталей – внешней кольцевой и внутренней цилиндрической. Детали расположены коаксиально с возможностью поступательного перемещения в полости матрицы. Внешняя деталь пуансона имеет торцевую контактную поверхность сложной формы. При этом данная деталь является быстросъемной, что обеспечивает возможность ее замены в случае необходимости без длительного простоя инструмента. Часть торцевой поверхности также выполнена с образованием выемки сферической формы, при этом при максимальном ходе пуансона сферическая часть на торцевой поверхности пуансона также является продолжением сферы, образованной стенками полуматриц. Штамп также снабжен толкателем 11.The inventive stamp is a detachable tool mounted to a double-acting hydraulic press for the manufacture of plugs of large-diameter ball valves. The stamp contains a detachable matrix, consisting of their upper 4 and lower 7 half-matrix, located with the formation of the cavity to accommodate the original tube billet 1. The matrix is equipped with bandages 4 and 6 for each half-matrix, respectively. The matrix is pressed into the bandage with an interference fit of up to 2.5 mm. The insertion angle is standard - about 1.5 °. The inner walls of the semi-matrices are partially made spherical, while, when the semi-matrices are closed, the spherical section continues from one half-matrix to the other. The curvature of the sphere in this case is determined by the curvature of the produced cork. A technological step is made in the lower half-matrix on the spherical section, which makes it possible to center the initial workpiece in the die matrix. The lower half-matrix is fixed to the hardened backing plate 9, which in turn is mounted on the bottom plate of the stamp. The upper half-matrix and its bandage are fixed to the outer slider of the press. The stamp includes a combined cylindrical punch 3, consisting of two parts - the outer annular and inner cylindrical. Details are located coaxially with the possibility of translational movement in the cavity of the matrix. The outer part of the punch has an end contact surface of complex shape. At the same time, this part is quick-detachable, which makes it possible to replace it, if necessary, without prolonged downtime of the tool. Part of the end surface is also made with the formation of a notch of a spherical shape, while at the maximum stroke of the punch, the spherical part on the end surface of the punch is also a continuation of the sphere formed by the walls of the half-matrixes. The stamp is also equipped with a pusher 11.

Заявляемый штамп работает следующим образом, реализуя при этом заявляемый способ изготовления крупногабаритных пробок шаровых кранов.The inventive stamp works as follows, while realizing the inventive method of manufacturing large-sized plugs of ball valves.

Исходную трубную заготовку, отрезанную на заданную длину (высота Н) от кованой центробежно литой толстостенной трубы, нагревают до температуры горячей деформации металла (1150-1200 °С) токами высокой частоты или любым другим способом и размещают на технологическом уступе нижней полуматрицы. При этом оба ползуна - внутренний и наружный, гидравлического пресса находятся в верхнем положении. The original tube billet cut to a predetermined length (height H) from the forged centrifugally cast thick-walled pipe is heated to a temperature of hot deformation of the metal (1150-1200 ° C) with high-frequency currents or in any other way and placed on the technological ledge of the lower half-matrix. In this case, both the slide - internal and external, the hydraulic press are in the upper position.

Включается движение наружного ползуна пресса и происходит смыкание полуматриц под действием силы Р₁, затем включается движение внутреннего ползуна пресса с прикрепленным на нем пуансоном 3 и происходит операция высадки с радиальным течением металла. Благодаря тому, что внутренняя деталь пуансона несколько больше по диаметру, чем внутренний диаметр заготовки, металл плотно прилегает к пуансону, что обеспечивает устойчивость процесса высадки и полное заполнение металлом полости между пуансоном и сферической частью матрицы, выполняя условие S= h/n, где S - толщина стенки исходной трубной заготовки, h - высота сферического участка внутренней стенки матрицы, а n – коэффициент, равный 2,7-3,5.The movement of the external press slider is turned on and the semi-matrices are closed by the force P ₁ , then the movement of the internal press slider with the punch 3 attached to it is turned on and the upset operation with radial metal flow occurs. Due to the fact that the inner part of the punch is slightly larger in diameter than the inner diameter of the workpiece, the metal adheres tightly to the punch, which ensures the stability of the upsetting process and the metal completely fills the cavity between the punch and the spherical part of the matrix, satisfying the condition S = h / n, where S - wall thickness of the original tube billet, h is the height of the spherical portion of the inner wall of the matrix, and n is a coefficient equal to 2.7-3.5.

По достижении нижнего положения пуансона процесс штамповки заканчивается и сначала в верхнее положение поднимается внутренний ползун пресса с пуансоном, а затем наружный ползун пресса также поднимается вверх. Затем толкатель пресса 11 поднимается вверх и через выталкиватель штампа поковку удаляют из штампа. Upon reaching the lower position of the punch, the stamping process ends and first the upper slider of the press with the punch rises to the upper position, and then the outer slider of the press also rises. Then the press pusher 11 rises and through the ejector punch the forging is removed from the punch.

Для реализации способа используют кованые толстостенные центробежно литые трубные заготовки. Получение таких заготовок возможно, например, из полых слитков диаметром до 1000 мм с толщиной стенки до 250 мм, изготавливаемых на АО «Тяжпрессмаш». Посредством последующей ковки с использованием четырехбойкового ковочного устройства и разрезки такой трубы на кольцевые заготовки получают трубные заготовки заданной толщины и длины Н, пригодные для дальнейшей обработки с целью получения пробок шаровых кранов. При этом толщину стенок трубных заготовок для пробок на диаметр 500 и 700 мм принимают равной 120 и 135 мм соответственно, что подтверждено расчетами компьютерного моделирования и экспериментами. Поковки, изготовленные из таких заготовок, имеют необходимую мелкозернистую структуру и высокие механические свойства. To implement the method using forged thick-walled centrifugally cast tube blanks. Obtaining such blanks is possible, for example, from hollow ingots with a diameter of up to 1000 mm with a wall thickness of up to 250 mm, manufactured at JSC Tyazhpressmash. By subsequent forging using a four-forging device and cutting such a pipe into ring blanks, tube blanks of a given thickness and length H are obtained that are suitable for further processing in order to obtain plugs for ball valves. At the same time, the wall thickness of tube blanks for plugs for a diameter of 500 and 700 mm is taken equal to 120 and 135 mm, respectively, which is confirmed by computer simulation calculations and experiments. Forgings made from such blanks have the necessary fine-grained structure and high mechanical properties.

Отличительной особенностью заявляемого способа является высадка с использованием схемы всестороннего неравномерного сжатия, при которой обеспечивают течение металла в радиальном направлении, заполняя закрытый объем между сферическими внутренними стенками полуматриц и цилиндрической внутренней деталью комбинированного пуансона. За счет реализации схема высадки с зажатыми концами заготовки между матрицей и пуансоном (нижняя часть заготовки жестко размещена на технологическом уступе, а верхняя прижата внешней деталью комбинированного пуансона) высадка осуществляется без потери устойчивости и возможных зажимов (складок) при соотношении открытой высоты h к толщине заготовки S в диапазоне от 2,7 до 3,5. При этом соблюдается условие растягивающих напряжений в заготовке посредством раздачи заготовки при внедрении в нагретую заготовку цилиндрической детали пуансона с диаметром d_n, большим, чем внутренний диаметр исходной заготовки на 1,5-2%. Таким образом, металл трубной заготовки при высадке плотно прилегает к поверхности пуансона и, тем самым, повышает устойчивость процесса высадки. Создание описанного напряженно-деформированного состояния штамповки высадкой обеспечивается тем, что в нижней полуматрице выполнен уступ, необходимый для центрирования заготовки при ее установке в штамп, что уменьшает размер h. Одновременно, сложнопрофильная поверхность внешней детали комбинированного пуансона также обеспечивает формирование аналогичного уступа при максимальном ходе пуансона. Таким образом, в результате на наружной поверхности поковки образуются два технологических напуска, которые необходимо удалить при дальнейшей механообработке. A distinctive feature of the proposed method is upsetting using a comprehensive non-uniform compression scheme, in which the metal flows in the radial direction, filling the enclosed space between the spherical inner walls of the half-dies and the cylindrical inner part of the combined punch. Due to the implementation, the landing pattern with the clamped ends of the workpiece between the die and the punch (the lower part of the workpiece is rigidly placed on the technological ledge, and the upper is pressed by the external part of the combined punch), the landing is carried out without loss of stability and possible clamps (folds) with the ratio of the open height h to the thickness of the workpiece S in the range of 2.7 to 3.5. In this case, the condition of tensile stresses in the workpiece is met by distributing the workpiece when a cylindrical part with a diameter d _n greater than the internal diameter of the original workpiece by 1.5-2% is introduced into the heated workpiece. Thus, the metal of the tubular billet during upsetting fits snugly to the surface of the punch and, thereby, increases the stability of the upsetting process. The creation of the described stress-strain state of the stamping by upsetting is ensured by the fact that a step is made in the lower half-matrix, which is necessary for centering the workpiece when it is installed in the stamp, which reduces the size h. At the same time, the complex profile surface of the outer part of the combined punch also provides the formation of a similar ledge at the maximum stroke of the punch. Thus, as a result, two technological inlets are formed on the outer surface of the forgings, which must be removed during further machining.

Преимущество заявляемого способа заключается в повышении производительности изготовления пробок, поскольку изготовление происходит за один ход ползуна пресса, повышении качества структуры металла пробки за счет пластического деформирования (альтернативно литым пробкам), а также в снижении расхода металла до 20% за счет снижения доли припусков и применения безоблойной схемы штамповки. При этом удельные силы штамповки находятся в пределах 220-300 МПа, что позволяет вести штамповку поковок пробки на Ду=500-1000 мм на гидравлическом прессе двойного действия с усилием 140 МН.The advantage of the proposed method is to increase the production capacity of corks, since the production takes place in one stroke of the press slider, to improve the quality of the metal structure of the cork due to plastic deformation (alternatively cast corks), as well as to reduce metal consumption by up to 20% by reducing the proportion of allowances and application seamless stamping scheme. In this case, the specific stamping forces are in the range of 220-300 MPa, which allows stamping of the plug forgings at DN = 500-1000 mm on a double-acting hydraulic press with a force of 140 MN.

Claims

1. A stamp for the manufacture of large-sized plugs of ball valves, having a spherical shape with a central bore hole, from a pipe billet, characterized in that it includes a detachable bandaged matrix consisting of upper and lower half-matrices arranged to form a cavity for accommodating the initial tube billet, wherein the inner walls of the semi-matrices are made with a spherical section, and the spherical section on the inner wall of the lower half-matrix is made with a step that provides centering the tube billet in the matrix, a cylindrical combined punch made to move in the cavity of the matrix and consisting of two coaxially arranged parts, while the contact surface of the outer part of the cylindrical punch has a spherical section with a ledge similar to the ledge of the lower half matrix.

2. The stamp according to claim 1, characterized in that the spherical portion of the inner wall of the lower half-matrix and the spherical portion of the contact surface of the outer part of the punch are made with the same curvature.

3. The stamp according to claim 1, characterized in that the outer diameter of the punch is from 1.01 to 1.02 of the inner diameter of the original tube billet.

4. The stamp according to claim 1, characterized in that the wall thickness of the original tube billet S = h / n, where h is the height of the spherical portion of the half-matrix, n is a coefficient equal to 2.7-3.5.

5. The stamp according to claim 1, characterized in that the upper half-matrix is made with the possibility of attaching a double-acting hydraulic press to the outer slider, and the combined punch is made with the possibility of attaching a double-acting hydraulic press to the inner slider.