Полые оси и валы
Школьник Л. М., Коваленко Ю. Е., Мартынов Н. И., Усова Л. А. М.
Машиностроение, 1968 г.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ОСЕЙ
Для изготовления облегченных полых осей применяют различные технологические процессы, используя прокатку, ковку и центробежное литье. Основные технологические схемы изготовления полых осей и валов представлены на рис. 73. Из рассмотрения этих схем видно, что полые оси можно изготовить из различных исходных заготовок: сплошной литой, полой литой, блумса, сплошной катаной (круглая трубная заготовка), полой центро-бежнолитой и прокатанной на различных трубопрокатных агрегатах. Представлены также способы изготовления труб, которые могут служить исходными заготовками для операций формовки концов полых осей. В приводимом ниже обзоре кратко рассмотрены различные существующие и возможные технологические способы изготовления полых осей (эти способы относятся также и к производству полых валов).
1. Один из первых способов производства полых осей состоял в том, что отливали стальную болванку с сердечником из огнеупорного кирпича и прокатывали ее в трубу. Затем в отверстия по концам вставляли стальные стержни, приваривали их к трубе, и в штампах ковали шейки.
2. Затем был предложен способ, заключающийся в том, что трубу из литой стали вытягивали на протяжном стане, а шейки и подступичные части штамповались.
3. Делались попытки изготовления полых осей сверлением, которое не нашло практического применения из-за ряда недостатков и дороговизны этого способа.
4. В странах Западной Европы полые оси применялись в облегченных пассажирских вагонах, работавших с большими скоростями. Эти оси были изготовлены из тонкостенных труб из легированных сталей с применением высадки концов. Для улучшения отвода тепла, развивающегося при работе, полые оси заливались маслом и закрывались с торцов пробками. Такие оси также не получили широкого применения.
5. Полые оси для подвижного железнодорожного состава изготовляли также из двух или нескольких концентрических трубок, которые соединялись одна с другой. Этот вид полой оси не получил практического применения из-за необоснованности конструкции и нетехнологичности.
6. Производство бесшовных горячекатаных стальных труб, получившее широкое распространение в настоящее время, явилось естественной базой для организации производства полых осей. В 1943 г. фирмой Питсбург Стил в Алленпорте (США) был построен и введен в эксплуатацию новый цех массового поточного производства полых вагонных осей из труб мощностью 500 осей в день [37]. Технология их изготовления заключалась в высадке концов труб на горизонтальных высадочных прессах, формовке шеек с буртиком и подступичной частью на штамповочном молоте и — на последней операции — механической обработке внутренней поверхности обоих концов оси одновременно на специальном станке для получения точной центровки. Трубы (заготовки для осей) получались с пильгерстана.
Полые оси в США изготовлялись взаимозаменяемыми со сплошными стандартными осями по подступичным частям и шейкам. Однако применение полых осей, изготовляемых по этому принципу, привело к ослаблению прочности подступичных частей, а следовательно, и к появлению в них трещин.
7. В 1945 г. в СССР была спроектирована полая вагонная ось, взаимозаменяемая со стандартной сплошной осью типа III и сходная по конструкции со стандартной полой осью производства фирмы Питсбург Стил. Технология изготовления вновь спроектированной оси заключалась в операциях высадки концов труб, формовки шеек, термообработки, механической обработки.
В 1947 г. была изготовлена опытная партия полых осей из бесшовных горячекатаных труб упомянутых операций.
8. Выбор операций обработки давлением при разработке технологии изготовления полых осей из катаных заготовок должен определяться из условия обеспечения преимущественно продольной ориентации волокнистой структуры как в трубе, так и во всех элементах полой детали. С учетом этого принципа разработана технология изготовления полых вагонных осей из толстостенных горячекатаных бесшовных труб в двух вариантах:
По первому варианту исходной заготовкой служит толстостенная труба, наружный диаметр которой несколько больше диаметра подступичной части оси (0 213x55 мм кратностью 2190 + 15 мм). Под молотом или прессом концы трубы оттягиваются и из них формируются шейки. Последующей механической обработкой оси придается необходимая форма; при этом диаметр средней части будет меньше, чем диаметр подступичной части.
По второму варианту исходной заготовкой является профильная труба с утолщениями на концах, которую предполагалось получить с трехвалкового стана поперечно-винтовой прокатки. Дальнейшая горячая обработка профильной трубы сводится к процессу формовки шеек на специальном прессе. Технология второго варианта более прогрессивна, но требует изготовления нового' оборудования в виде трехвалкового стана для профильной прокатки.
Поэтому для проведения испытаний были изготовлены полые оси по первому варианту технологии. При этом были приняты меры к уменьшению разностенности осей посредством ужесточения допусков на изготовление толстостенных труб, введения одновременной формовки на прессе обеих шеек оси (последовательно на двух оправках разного диаметра взамен применявшейся одной оправки), уточнения конструкции шеек для осей под роликовые буксы и др.
Так как в случае высадки концов труб на высадочных прессах образуется синусоидальная ориентация волокон на участке утолщения, что при механической обработке ведет к перерезанию волокон,то при отработке данной технологии была поставлена специальная задача получения оптимальной ориентации волокон.
9. Применяющийся в ЧССР способ изготовления полых осей предусматривает использование исходной заготовки круглого сечения 120 мм, длиной 2820±5мм, которая подвергается высадке для образования подступичных, предподступичных частей и шеек. Процесс высадки сопровождается укорочением нагретых концов исходной заготовки и увеличением их диаметров. После высадки концов сплошной катаной заготовки и образования подступичных, предподступичных частей и шеек с необходимыми размерами по наружным диаметрам следует третья операция — сверление сквозного отверстия 0 40 мм в заготовке длиной 2176 мм, с удалением 40 кГметалла. Затем полая заготовка, нагретая до температуры деформации стали в горячем состоянии, подвергается раздаче в штампе при давлении воды, развиваемом до 1000 am. Изготовление полых осей по этому способу заканчивается их нормализацией и испытаниями. Вес оси снижается на 100 кГпротив веса сплошной. Экономия на себестоимости достигает 2,5% πα сравнению с себестоимостью сплошной оси. Недостаток этой технологии заключается в применении операций высадки (которая, как уже сказано, приводит к искривлению волокон и понижению механических свойств осей, а также сверления заготовок.
10. Разработан способ изготовления полых осей из сплошной литой заготовки мартеновской стали с последующей прошивкой на прошивном прессе, прокаткой на стане элонгаторе (удлинителе), двух-, трех- или четырехвалковом, дальнейшей горячей прокаткой на пилигримовом стане и ковкой двух концов осей одновременно в быстроходных прессах на оправках.
Эта технология не требует строительства специального осепрокатного цеха с уникальным оборудованием и пригодна для производства осей из труб, изготовляемых трубным цехом, для чего требуется только установка быстроходных прессов для ковки концов и станков для обдирки заготовок.