Технология и оборудование поперечно,клиновой прокатки (статья)
Поперечно-клиновая прокатка (ПКП) является одним из наиболее экономичных и производительных способов изготовления ступенчатых валов с различной конфигурацией ступеней. Коэффициент использования металла близок к единице, а точность сопоставима с токарной обработкой.
В статье дается анализ патентов по технологии и оборудованию ПКП за последние 10 лет, показаны преимущества различных схем прокатки. Приводятся технические характеристики и тенденции развития оборудования на примере компании «АМТ инжиниринг».
Широкое промышленное использование технологии поперечно-клиновой прокатки относится к 70-м годам прошлого столетия. К этому времени Россией, Германией, Чехией, Белоруссией и Японией были разработаны станы ПКП, использующие различные схемы прокатки: двух- и трехвалковые, валково-сег-ментные и плоско-клиновые. За счет импорта прокатного оборудования технология ПКП внедрена в Болгарии, Венгрии, Польше, Великобритании, Франции, Италии, Турции, США и других странах мира.
Анализ патентов по ПКП за последние 10 лет подтверждает ведущую роль в этой области пластического формообразования изделий Республики Беларусь, Российской Федерации и Германии. Из 59 патентов и заявок на изобретения, опубликованных в 1993—2003 годах, в РБ зарегистрировано 19 патентов на изобретения и полезные модели, опубликовано 7 заявок, в РФ — 18 патентов на изобретения, при этом страной-заявителем 4 изобретений является РБ и 1 изобретения — РБ и РФ, в Германии зарегистрировано 4 национальных патента. За указанный период времени опубликованы: 3 международные заявки (страна-заявитель 2 заявок — Германия и 1 — Республика Беларусь), 6 европейских патентов (страна-заявитель 4 патентов — Германия, 2 — Швейцария).
Патентный поиск показал также, что наибольшее развитие в последние годы получили плоско-клиновая и двухвалковая схемы прокатки.
В Беларуси наибольшее развитие получила плоско-клиновая схема станов ПКП с горизонтальным (одна над другой) расположением инструментальных плит. Чаще используются конструкции станов с верхним подвижным и нижним неподвижным инструментами и станы с двумя подвижными плитами.
Известны также стан Рудовича с подвижной нижней плитой, стан, реализующий клин-роликовую схему прокатки, и стан для прокатки изделий из прутка валковыми клиновыми инструментами, совершающими планетарное движение вокруг неподвижной заготовки.
В России наибольшее развитие получила двухвалковая схема прокатки с вертикальным и горизонтальным расположением валков, а также с вертикальным расположением осей валков.
В Германии получила дальнейшее развитие плоско-клиновая схема с двумя подвижными вертикально расположенными инструментальными плитами и двухвалковые станы с горизонтальным расположением валков.
Преимуществом валковых станов является возможность прокатки из прутка, что наиболее эффективно при формообразовании коротких изделий благодаря значительному снижению отходов (прокатка коротких изделий из штучных заготовок, как правило, нерентабельна из-за больших концевых отходов) и автоматизации процесса.
Валковые станы также успешно используются при прокатке несимметричных по длине изделий, благодаря тому что заготовка удерживается в рабочей зоне направляющими проводками и отпадает необходимость в выравнивании условий ее прокатки на различных стадиях формообразования.
В то же время наличие направляющих проводок часто приводит к искажению формы и размеров наружной поверхности изделий, что является недостатком валковых станов, так как снижает точность прокатки и вызывает перерасход металла.
Основное преимущество плоско-клиновых станов — в относительной простоте производства и ремонта сложного и высокоточного инструмента (инструмент является сборным, состоящим из отдельных деталей, которые изготавливаются на универсальных фрезерных и шлифовальных станках). Высокая точность изготовления инструмента и оптимальная твердость его рабочих поверхностей гарантируют высокую точность прокатываемых изделий и высокую стойкость инструмента.
Практика эксплуатации станов валковой и плоско-клиновой конструкций определила наиболее целесообразные области использования каждой конструкции. Плоско-клиновые станы наиболее эффективны при изготовлении с частыми переналадками большой номенклатуры высокоточных деталей сложной конфигурации. Валковые станы целесообразно использовать при массовом производстве одного-двух изделий, особенно коротких, с относительно невысокими требованиями к их точности.
Сущность процесса ПКП заключается в упругопластическом качении заготовки между двумя клиновыми инструментами, параллельно перемещающимися навстречу друг другу и установленными на плитах или вращающимися в одну сторону и установленными на валках с параллельными осями (рис. 1).
Процесс поперечной прокатки осуществляется в следующей последовательности. Исходная заготовка подается в рабочую зону стана на ось прокатки и располагается поперек заходных частей инструментов. Инструментам сообщается встречное поступательное или вращательное движение. Заходные части обоих инструментов внедряются в заготовку с диаметрально противоположных сторон, вызывают ее вращение и образование кольцевой канавки. В последующем кольцевая канавка расширяется за счет раскатывания металла наклонными гранями инструмента, происходит перемещение избыточных объемов металла в осевом направлении, профилирование и удлинение заготовки. В результате прокатки заготовка приобретает негативный профиль инструмента. На заключительной стадии прокатки осуществляют калибрование профиля и ножами, установленными по обе стороны инструментов, отрезают избытки металла от прокатанного изделия.
Область эффективного использования ПКП — производство ступенчатых изделий с различной конфигурацией ступеней и перепадами диаметров до 4 и более раз. Если в изделии наибольшую площадь поперечного сечения имеет ступень квадратного или шестигранного профиля, то в качестве исходной заготовки используют пруток аналогичного профиля и указанная ступень при прокатке изделия сохраняется без изменений.
ПКП является наиболее рациональным способом изготовления валов коробок передач, винтовых дюбелей, элементов мебельной фурнитуры, золотников, осей, шаровых пальцев, шпинделей, буров, валов насосов и электродвигателей, корпусов резцов для горнодобывающих машин и др., а также точных профильных промежуточных заготовок для последующей бе-зоблойной или малоотходной пластической обработки.
Прокатка обеспечивает по сравнению со штамповкой повышение производительности в 1,5—2 раза, уменьшение расхода металлопроката на 10—30%, повышение точности, сокращение трудоемкости последующих операций, повышение стойкости инструмента (60—300 тыс. шт.) и значительное сокращение затрат на его изготовление.
Анализ патентных материалов, основных тенденций развития кузнечно-прессового машиностроения, конструктивных особенностей машин для ПКП единичного и мелкосерийного производства, а также требований стандарта ISO 101N 9000 позволил компании «АМТ инжиниринг» наметить направления дальнейшего совершенствования оборудования ПКП.
Для достижения максимальной точности поковок при производстве ступенчатых валов, осей и других деталей типа тел вращения с удлиненной осью наиболее предпочтительными являются автоматизированные линии поперечной прокатки с плоскоклиновой конструкцией станов.
Повышения размерной точности прокатки можно достигнуть благодаря нагреву заготовок в заданном узком контролируемом интервале температур, минимизации времени термодинамической стабилизации прокатной клети, повышению жесткости конструкции стана с одновременным улучшением технологичности изготовления и сборки прокатной клети, увеличению направляющей базы ползуна и использованию в качестве направляющих стандартных силовых опор качения.
Указанные пути повышения точности прокатываемых поковок следует реализовы-вать одновременно с автоматизацией процесса прокатки и применением в управлении линии специальных управляющих и диагностических систем.
Важными для повышения производительности и надежности работы линии ПКП являются также ее ремонтноспособность в минимальные сроки, быстрота переналадки инструмента и оборудования на прокатку
других поковок, автоматизация механизма расклинивания и регулирования закрытой высоты прокатной клети.
Также компанией «АМТ инжиниринг» были разработаны на основе модульного исполнения 3 модификации (серии) и 14 типоразмеров машин для поперечно-клиновой прокатки и линий на их базе для изготовления прецизионных поковок ступенчатых валов и осей диаметром от 2 до 160 мм, длиной от 8 до 1000 мм. Основные технические решения защищены 16 патентами.
Технические характеристики станов ПКП и линий на их базе приведены в таблице.
Станы серии QRM. Станы этой серии (рис. 2) предназначены для получения ступенчатых изделий холодной или полугорячей прокаткой. В качестве исходного материала используется круглый прокат из стальных или цветных сплавов в бунтах или прутках.
Работа прокатного стана осуществляется по планетарному принципу воздействия неприводных инструментов, расположенных на вращающейся планшайбе, на заготовку (рис. 1 и), что позволяет изготавливать детали повышенной точности и детали, длина которых меньше их диаметра.
На станах QRM возможно одновременно с пластическим формообразованием деталей осуществлять их механическую обработку, например сверление, благодаря тому что исходный материал в процессе его деформации неподвижен. При дополнительном комплектовании станов этой серии специальными инструментами для накатки возможно получение на деталях резьбы, шлицев, зубьев, червяков и т.д.
Станы серии WRM. Прокатные станы серии WRM (рис. 3) предназначены для получения крупных поковок типа тел вращения из различных марок сталей и сплавов, в том числе труднодеформируемых, холодной, теплой или горячей прокаткой из штучных заготовок.
Производство высокоточных поковок на станах серии WRM достигается путем исполнения прокатной клети в виде жесткой предварительно напряженной замкнутой рамы, усиленной в месте крепления инструмента закаленной кованой плитой.
В станах ПКП прокатная клеть образована верхней и нижней траверсами, которые скреплены между собой боковыми стойками посредством пропущенных через них предварительно напряженных штифтов. Штифты нагружены в направлении действия распорных усилий прокатки винтовыми домкратами. В этих моделях станов оригинально выполнен механизм вертикальной регулировки положения нижней
Высокое качество прокатываемых поковок достигается также за счет использования в качестве направляющих тел качения, обеспечивающих незначительный износ направляющих в течение продолжительного времени, минимальное усилие перемещения ползуна и отсутствие зазора в направляющих.
Плавно регулируемый гидропривод позволяет для каждой поковки выбирать оптимальные режимы деформации.