RU2846051C1 - Способ обработки труб - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу изготовления труб. Изготавливают инструментальную оправку из материала, обладающего эффектом памяти формы. Пластически деформируют инструментальную оправку до диаметра, соответствующего конечному внутреннему диаметру труб при температуре выше температуры перехода сплава в однофазную аустенитную область. Закаливают оправку при комнатной температуре, пластически деформируют ее с уменьшением диаметра до величины менее диаметра полости исходной трубной заготовки. Вставляют инструментальную оправку внутрь полости трубной заготовки, получая общую сборку. Нагревают сборку до температуры выше температуры обратного мартенситного превращения сплава, достигая увеличение диаметра инструментальной оправки и полости трубной заготовки. В результате осуществления способа изготовления труб исключается применение тянущего устройства волочильного стана, волоки, как дополнительного к оправке инструмента, и исключается создание утоненной части заготовки, создающей отходы производства. 4 ил., 2 пр.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению труб методами обработки давлением.

Трубные заготовки из различных металлов и сплавов на стадии финишной обработки подвергают обычно холодной деформации методом волочения. Известны способы оправочного и безоправочного волочения. Безоправочное волочение считается наиболее простым процессом, однако при его реализации практически невозможно управлять формой и размерами полости в трубной заготовке. Для контроля этих параметров применяют методы волочения на короткой, длинной и плавающей оправке [1]. Такие варианты обработки направлены на калибровку наружного диаметра трубы и толщины стенки. При этом сами процессы обязательно осуществляются с помощью инструмента – волоки (филеры), протягивание через нее заготовки приводит к уменьшению наружного диаметра трубной заготовки.

В производстве труб часто ставится цель уменьшения толщины стенки трубы. При этом совершенно не обязательно, чтобы уменьшался диаметр трубы. В этом случае процессы волочения не подходят. Мало того, для утонения стенки трубы желательно диаметр трубы увеличивать. Тогда тангенциальные деформации окажутся деформациями растяжения (удлинения), а из закона сохранения объема радиальные деформации окажутся деформациями сжатия (укорочения). Радиальные деформации отвечают за толщину стенки – она будет утоняться. Утонения стенки добиваются иногда для создания нужной текстуры металла.

Способом [2] предусмотрена методика закрепления головок цилиндрического образца, предназначенного для испытания на разрыв с помощью инструмента, изготовленного из материала, обладающего эффектом памяти формы (ЭПФ). Осуществляют подготовку втулок перед сборкой путем изготовления втулок из материала с ЭПФ обработкой резанием в аустенитном состоянии. Обеспечивают перевод втулок захолаживанием в мартенситное состояние. Осуществляют раздачу внутреннего диаметра втулок пластическим деформированием до размера, превышающего наружный диаметр концевых зон стержня. Надевают втулки на концевые зоны стержня и одновременно их захолаживают. Нагревают полученное соединение до температуры эксплуатации. В результате обеспечивается геометрическая идентичность монтажа двух втулок, изготовленных из материала, обладающего эффектом памяти формы, со стержнем.

Сами методы производства изделий из материалов, обладающих эффектом памяти формы, описаны в технической литературе [3,4], поэтому здесь не обсуждаются.

Способ по патенту [5] описывает получение спиралей из материала с ЭПФ и включает термомеханическую обработку, сочетающую деформацию и последеформационный отжиг в интервале температур 350-500°С до получения накопленной степени деформации 25-40% и последеформационного отжига в интервале температур 350-500°С, термомеханическое наведение эффекта памяти формы (ЭПФ) и обратимого эффекта памяти формы (OЭПФ). Подразумевается получение спиралей с обратным изменением формы до исходной проволоки.

Описанием к патенту [6] предложен способ, включающий изготовление заготовки из сплава с эффектом памяти формы, охлаждение ее до температуры ниже температуры мартенситного превращения, установку заготовки в матрицу с рельефной поверхностью, пластическое деформирование заготовки, нагрев заготовки совместно с матрицей до температуры выше температуры мартенситного превращения с обеспечением заполнения впадин на матрице заготовкой и последующую стабилизирующую термообработку полученной детали путем выдержки совместно с матрицей при температуре выше температуры рекристаллизации. Обеспечивается высокая точность изготовления деталей сложной формы.

Использование материалов, обладающих эффектом памяти формы (ЭПФ), описано в публикации [7]. Здесь указывается, что способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. При этом уровень реактивных напряжений материалов с ЭПФ может составлять до 1000…1300 МПа. Отсюда следует, что детали из материала с ЭПФ могут играть роль инструмента для деформации других материалов, если для этого потребуется приложить давление 1000…1300 МПа.

Известен прием использования материалов, обладающих памятью формы для изготовления инструмента для обработки давлением. Эффект описывается как явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации. Так, по а.с. SU 1092007 [8] способ обработки длинномерной заготовки включает помещение заготовки в оболочку, ее деформацию и удаление, при этом оболочку образуют намоткой гибкого элемента из материала, обладающего эффектом памяти формы, а деформацию осуществляют при нагреве оболочки с заготовкой до температуры обратного мартенситного превращения материала оболочки. Здесь также отмечается, что материалы с ЭПФ имеют способность восстанавливать свою форму при изменении температурных условий в пределах деформаций 8…15%, обладают высокими значениями предела прочности (для нитинола-60 – свыше 1000 МПа, в связи с чем могут использоваться в качестве инструмента, пригодного для обработки материалов давлением.

В приведенном выше аналоге деформацию заготовки производили с использованием ЭПФ для уменьшения диаметра прутка. Вместе с тем, имеется необходимость подобное воздействие производить на трубные заготовки, обеспечивая увеличение диаметра трубы. Для этого инструмент необходимо помещать внутри трубы и давлением со стороны полости увеличивать диаметр. Необходимость увеличения диаметра, то есть раздачи, обусловлена, например, необходимостью получить в трубе совокупность деформаций сжатия в радиальном направлении и растяжения в тангенциальном направлении, что приводит к радиальной текстуре в металлах с ГПУ решеткой, в частности в титане [9-12]. Имеется также необходимость увеличения диаметра труб и по другим причинам.

Известен способ обработки труб, включающий изготовление полой заготовки, изготовление инструментальной оправки, размещение инструментальной оправки внутри полости трубной заготовки, пластическую деформацию трубной заготовки с изменением диаметра и толщины стенки [13]. Описанные выше приемы применяются в технологии длиннооправочного волочения и подразумевают применение волоки, как инструмента, формирующего наружный диаметр трубы, при этом этот диаметр уменьшают от исходного размера. Внутренний диаметр трубы формируется длинной оправкой. Технической проблемой является необходимость применения тянущего устройства волочильного стана, то есть наличие дорогостоящего оборудования, а также необходимо наличие волоки как дополнительного к оправке инструмента. Дополнительно можно отметить, что процесс волочения связан с изготовление утоненной части заготовки (захватки), которую приходится затем отрезать, что создает отходы производства.

Предлагается способ обработки труб, включающий изготовление полой заготовки, изготовление инструментальной оправки, размещение инструментальной оправки внутри полости трубной заготовки, пластическую деформацию трубной заготовки с изменением диаметра и толщины стенки. Способ отличается тем, что инструментальную оправку изготавливают из материала, обладающего эффектом памяти формы, перед пластической деформацией полой заготовки инструментальную оправку пластически деформируют до диаметра соответствующего конечному внутреннему диаметру труб при температуре выше температуры перехода сплава в однофазную аустенитную область, закаливают до комнатной температуры, пластически деформируют с уменьшением диаметра до величины менее диаметра полости исходной трубной заготовки, вставляют инструментальную оправку внутрь полости трубной заготовки, получая общую сборку, нагревают сборку до температуры выше температуры обратного мартенситного превращения, достигая увеличения диаметра инструментальной оправки и полости трубной заготовки.

Сущность предложенного заключается в том, что стенку трубы утоняет инструментальная оправка 1 (фиг. 1), изготовленная из материала, обладающего эффектом памяти формы, при этом дополнительный инструмент, например, волоку, применять не требуется. Сама по себе волока обычно изготавливается из дорогостоящих материалов, включая вольфрамсодержащие твердые сплавы и для изделий небольших поперечных сечений даже алмазы. Изготовление инструментальной оправки, имеющей очень простую форму длинного цилиндра, не представляет трудностей – для этого годится обычное токарное оборудование. Инструментальная оправка подвергается термообработке для фиксации фазового состояния и приводится в состояние малого диаметра 2, что позволяет ввести ее в полость трубной заготовки 3 (фиг. 2), после этого сборка нагревается, диаметр оправки увеличивается (фиг. 3), что приводит к увеличению внутреннего диаметра трубы и стенка трубы 4 утоняется (фиг. 4). Дополнительным преимуществом способа является отсутствие необходимости изготовления захватки для осуществления процесса волочения. Тем самым снижается объем технологических отходов.

Если требуется достичь утонения стенки, то волока как инструмент становится не обязательной. При увеличении внутреннего диаметра со стороны инструментальной оправки, утонение стенки будет происходить автоматически.

Разъединение оправки и трубы осуществляют одним из известных способов, применяемых при использовании длиннооправочного волочения: обкаткой, вытягиванием и т.д.

На фиг. 1 показана схема уменьшения диаметра инструментальной оправки. инструментальная оправка с. На фиг. 2 отображена полая заготовка с размещенной внутри инструментальной оправкой. На фиг. 3 показан процесс увеличения диаметра оправки и полости. На фиг. 4 показана труба увеличенного диаметра.

Далее приведены примеры получения труб по предлагаемому способу.

Пример 1. Изготавливают полую заготовку наружным диаметром 40 мм, диаметром полости 30 мм из меди марки М1. Изготавливают инструментальную оправку диаметром 34 мм из материала, обладающего эффектом памяти формы. В качестве материала оснастки используют сплав никелида титана ТН-1 (Ni-56 %; Ti-44 %, мас. %). Нагревают оправку до температуры 900 °С, выдерживают 1 час и производят закалку в воду. Тем самым фиксируют высокотемпературное состояние металла. Инструментальную оправку пластически деформируют в холодном состоянии с уменьшением диаметра до 29 мм, используя один из приемов: проталкивания в волоку, волочения через волоку, одноосное растяжение. Далее размещают инструментальную оправку диаметром 29 мм внутри полости диаметром 30 мм трубной заготовки. Сборку нагревают до температуры 105 °С, что выше температуры обратного мартенситного превращения для данного сплава [14], при этом происходит увеличение диаметра инструментальной оправки и соответственно полости трубной заготовки до начального диаметра 34 мм. Относительная деформация по внутреннему диаметру трубы составит величину 100*(34-30)/30 = 13%. Прочностные свойства нитинола при таком переходе намного превышают прочностные свойства деформируемого материала, поэтому нитинол способен выполнят роль материала инструмента. Увеличение диаметра должно приводить к утонению стенки трубы. Длина трубы в контакте с инструментальной оправкой намного больше длины окружности трубы с этой же оправкой. Поэтому деформация металла в направлении длины затруднена, металл деформируется по тангенциальной и радиальной координатам, что приводит к утонению стенки трубы в первом приближении на те же 13%.

Пример 2. При той же последовательности приемов в качестве материала оснастки предлагается другой материал: сплав никелида титана ТНМ-3 (Ni-54 %; Ti-43 %, Cu-3 %, мас. %) . Для получения требуемой формы оснастки деформацию осуществляют в диапазоне температур 860-940 °С, до диаметра, соответствующего конечному внутреннему диаметру труб. Производят нагрев оправки на температуру 890 °С, осуществляют выдержку 1 час и закалку в воду. Остальные приемы осуществляют как это было описано выше.

Решением технической проблемы в соответствии с заявленным техническим решением является отказ от применения тянущего устройства волочильного стана, отказ от применения волоки как дополнительного к оправке инструмента, отказ от применения утоненной части заготовки, создающей отходы производства.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Орлов Г. А. Основы теории прокатки и волочения труб. Екатеринбург: УрФУ, 2016. — 204 с.

2. Патент RU 2678853. МПК B23P 19/10, B23P 11/02. Способ сборки образца, применяемого для испытания на одноосное пластическое растяжение, в виде стержня со втулками из материала, обладающего памятью формы / А. С. Матвеев, Ю. С. Иванова, А. В. Иванов; заявитель Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева. : № 2017141347 : заявл. 27.11.2017 : опубл. 04.02.2019.

3 Патент RU 2536614. Способ получения прутков и способ получения тонкой проволоки из сплава системы никель-титан с эффектом памяти формы. В. А. Андреев; заявитель ООО "Промышленный центр МАТЭК-СПФ". МПК C22F 1/10, C22F 1/18, C22C 1/02. Заявка 2013115851/02 от 09.04.2013. Опубл. 27.12.2014.

4. Патент RU 2162900. МПК C22F 1/18, C22C 1/02. Способ получения прутков и cпособ получения проволоки из сплавов системы никель-титан с эффектом памяти формы и способ получения этих сплавов. В. А. Андреев, А. Б. Бондарев, Е. А. Писарева, А. В. Шупик; заявитель ЗАО Промышленный центр "МАТЭКС". Заявка № 2000119220/02 от 20.07.2000. Опубл. 10.02.2001 /.

5. Патент RU 2476619 МПК C22F 1/18. Способ обработки сплавов титан-никель с содержанием никеля 49-51 ат.% с эффектом памяти формы и обратимым эффектом памяти формы (варианты)/ С. Д. Прокошкин, Е. П. Рыклина, И. Ю. Хмелевская ; заявитель Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС".№ 2011110127/02 : заявл. 17.03.2011 : опубл. 27.02.2013.

6. Патент RU 2375467, МПК C21D 7/00. Способ формирования поверхности детали из сплава, обладающего эффектом памяти формы / У. Хасьянов, А. В. Виноградов, Д. У. Хасьянова, М. А. Виноградова ; заявитель ООО "Комплекс ПромСтройМаш : № 2007139286/02 : заявл. 24.10.2007 : опубл. 10.12.2009.

7. Kaya E., Kaya İ. A review on machining of NiTi shape memory alloys: the process and post process perspective. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. V. 100. P. 2045–2087. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2818-8.

8. А.с. SU 1092007. Способ уплотнения длинномерной пористой заготовки. МПК B22F 3/02, B22F 3/12. / Ю. Н. Логинов, Б. Е. Хайкин; заявитель Уральский политехнический институт. Заявка 3505698 от 25.10.1982. Опубл. 15.05.1984.

9. Патент US 4765174. Texture enhancement of metallic tubing having a hexagonal close-packed crystal structure. Apl. Westinghouse Electric Corp. C. S. Cook, G. P. Sabol. МПК В21С 37/30. Заявл. 20.02.1987. Опубл. 23.08.1988.

10. Патент US 4990305. Single peak radial texture zircaloy tubing. Apl. Westinghouse Electric Corp. J. P. Foster, C. S. Cook, G. P. Sabol. Заявл. 28.06.1989. Опубл. 05.02.1991. МКИ G21С 3/32.

11. Патент RU2504598. Cпособ получения трубы из технически чистого титана с радиальной текстурой. МПК C22F 1/18, B21B 17/00, B23K 103/14. Ю. Н. Логинов, А. А. Ершов; заявитель Уральский федеральный университет. Заявка 2012107940/02 от 01.03.2012. Опубл. 20.01.2014.

12. Патент RU 2820864. Способ получения труб из титановых сплавов в текстурованном состоянии. / Ю.Н. Логинов, Ф. В. Водолазский; заявитель Уральский федеральный университет. МПК B21B 3/00, B21B 5/00, B21B 23/00. Заявка № 2023123327 от 08.09.2023. Опубл. 11.06.2024.

13. Рудской А. И. Волочение: учеб. пособие / А. И. Рудской, В. А. Лунев, О. П. Шаболдо. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – 126 с.

14. Ооцука К., Симидзу К., Судзуки Ю. и др. Сплавы с эффектом памяти формы, под ред. Фунакубо Х. Издательство: Металлургия, 1990. 224 с. ISBN: 5-229-00377-4.

Claims (1)

1. Способ изготовления трубы, включающий изготовление полой трубной заготовки, изготовление инструментальной оправки, размещение инструментальной оправки внутри полости трубной заготовки, пластическую деформацию трубной заготовки с изменением ее диаметра и толщины стенки, отличающийся тем, что инструментальную оправку изготавливают из материала, обладающего эффектом памяти формы, перед пластической деформацией полой трубной заготовки инструментальную оправку пластически деформируют при температуре выше температуры перехода ее материала в однофазную аустенитную область до диаметра, соответствующего конечному внутреннему диаметру трубы, закаливают ее до комнатной температуры, пластически деформируют с уменьшением диаметра до величины менее диаметра полости исходной трубной заготовки, вставляют инструментальную оправку внутрь полости трубной заготовки с получением общей сборки, нагревают упомянутую сборку до температуры выше температуры обратного мартенситного превращения материала оправки с обеспечением увеличения диаметра инструментальной оправки и полости трубной заготовки.