способ изготовления тонкостенных профилей из труднодеформируемых листовых материалов и волочильно- прокатная установка для его реализации

Формула изобретения

1. Способ изготовления тонкостенных профилей из труднодеформируемых листовых материалов, содержащих литий, профилированием в свежезакаленном состоянии за два-четыре перехода в роликовых устройствах стесненным изгибом, с приложением на окончательном переходе в очаге наибольших пластических деформаций калибрующего растягивающего усилия по всему поперечному сечению заготовки, отличающийся тем, что профилирование ведут при различном сочетании процессов прокатки и волочения, при разных скоростях вращения верхних и нижних роликов клетей и их бесступенчатом регулировании.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на начальной стадии профилирование ведут в режиме прокатки, затем формующие клети переводят в режим волочения в разной последовательности в зависимости от принятой схемы формообразования, при этом на каждом формующем переходе создают на входе осевой подпор, а на выходе - аксиальное растяжение.

3. Волочильно-прокатная установка для изготовления тонкостенных профилей из труднодеформируемых листовых материалов, содержащих литий, состоящая из чередующихся в технологической последовательности приводных тянущих и неприводных формующих клетей, включающих роликовые пары с замкнутым профилированным рабочим калибром, установленные на рабочих валах клети консольно, верхние валы которых размещены во втулках-ползунах с возможностью их вертикального перемещения, а консоли валов на окончательных переходах заключены в регулируемые на толщину хомуты, причем привод рабочих валов осуществляется от электродвигателя посредством зубчатых передач, отличающаяся тем, что каждая клеть работает автономно, от индивидуального привода, привод верхних и нижних валов клетей независимый, посредством обгонных муфт и составных промежуточных вертикальных валов для возможности их вращения при разных скоростях; перемещение втулок ползунов с верхними валами клетей осуществляют за счет шлицевого телескопического соединения составных промежуточных вертикальных валов, при этом втулки ползуны каждой клети связаны коромыслом и перемещаются от одного ходового винта.

4. Волочильно-прокатная установка по п.3, отличающаяся тем, что каждая клеть смонтирована вместе с приводом на площадках с возможностью их перемещения по направляющим для изменения межклетьевого расстояния, а бесступенчатое изменение скорости профилирования осуществляют электрическим блоком управления, при этом количество клетей не менее четырех.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к производству профилей из листовых труднодеформируемых материалов профилированием в валках, и может быть использовано в машиностроении, в первую очередь в авиакосмической отрасли, для широкой номенклатуры материалов и профилей.

Заявляемое изобретение направлено на решение народно-хозяйственной задачи: расширение технологических возможностей при изготовлении профилей из листовых материалов широкой номенклатуры с использованием мобильного оборудования. Известен способ изготовления тонкостенных профилей из труднодеформируемых листовых материалов стесненным изгибом при сочетании волочения и прокатки (см. А.с. СССР №1114482, МПК B 21 D 5/06, опубл. БИ №35, 23.09.84), по которому тонкостенную листовую заготовку толщины S₀ с помощью приводных подающих роликов, произведя подгибку на угол =10 - 15, подают в свободно вращающиеся ролики, где при волочении (протягивании) получают предварительный профиль с отогнутыми по радиусу R/S₀>5 полками. Окончательно профиль формуют в условиях волочения стесненным изгибом на втором формующем переходе, а затем проводят калибровку в приводных роликах и получают профиль заданной формы и размеров по сечению.

Недостатками способа являются невозможность за два формующих перехода изготовить профили сложных форм поперечного сечения; невозможность вести процесс с предельными степенями деформации при низкой пластичности материала; отсутствует регулирование скорости профилирования, что необходимо при различной прочности труднодеформируемых материалов; не обеспечивается изготовление профиля из нагартованного материала, полученного при рулонной прокатке в холодном состоянии.

Известен способ изготовления гнутых профилей из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, содержащих литий, в холодном состоянии профилированием за 2 - 4 перехода в роликовых устройствах стесненным изгибом по патенту №2019335, МПК B 21 D 5/08, опубл. БИ №17, 15.09.94, принятый в качестве прототипа.

По способу в условиях стесненного изгиба плоскую заготовку из листа или ленты алюминиево-литиевого сплава профилируют в свежезакаленном состоянии за 2 - 4 перехода в зависимости от заданной геометрии сечения профиля. На переходе окончательного формообразования в очаге наибольших пластических деформаций прикладывают одновременно по всему сечению усилия растяжения со степенью остаточной деформации 2 - 4%, обеспечивая прямолинейность полученного профиля.

Способ имеет недостатки: отсутствует регулирование скорости профилирования, что необходимо для изготовления профиля из труднодеформируемых материалов различной прочности; не обеспечиваются наиболее благоприятные схемы напряженно-деформируемого состояния материала для формообразования профиля с предельными степенями деформации с целью уменьшения количества переходов; неопределенной является глубина формования, увеличение которой при сложной форме сечения потребует более четырех переходов.

Известен профилегибочный стан (см. А.с. СССР №1172627, МПК B 21 D 5/06, опубл. БИ №30, 15.08.85), содержащий ряд связанных с приводом рабочих клетей с рабочими валками, верхние из которых установлены с возможностью вертикального перемещения; ряд червячных редукторов, тихоходный вал каждого из которых связан с рабочими валками клетей посредством шестеренной передачи, также имеющих съемный вал, установленный с шестерней в кронштейне, закрепленном на каждом редукторе с возможностью регулировки по толщине профилируемых листовых заготовок.

Известное устройство обладает недостатками: сложность конструкции из-за большого количества клетей и привода рабочих валков каждой клети от червячного редуктора; большая потеря мощности электродвигателя из-за увеличенного количества звеньев в передачи до рабочих валков клетей; невозможность точного регулирования по толщине профилируемых заготовок при ее изменении на лист в пределах допуска (0,1 - 0,2 мм); сложность настройки каждой клети, тем более всего стана (семь клетей) по толщине листовой заготовки, необеспечение точности и адекватности зазора в рабочем калибре валков каждой клети.

Известен профилегибочный станок (см. патент РФ №2028847, МПК B 21 D 5/06, опубл. БИ №5, 20.02.95), содержащий установленные в технологической последовательности приводные формующие клети для предварительного и окончательного формообразования с роликовыми парами, имеющими замкнутый профилированный зазор; устройство для правки с возможностью перемещения вдоль оси профилирования; клеть предварительного формообразования, снабженную обгонной муфтой, имеющую возможность перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Недостатками данного профилегибочного станка являются: неблагоприятная схема формообразования листовой заготовки с большими степенями деформации и создание тянущих усилий за счет трения (при прокатке) в каждой формующей клети; невозможность изменить скорости профилирования, что необходимо для разных материалов и разных толщин заготовки, из-за чего снижаются технологические возможности станка; наличие обгонной муфты только в клети предварительного формообразования не позволяет на формующих переходах выходить на режим волочения, при котором создается наиболее благоприятная схема напряженно-деформированного состояния материала профилируемой заготовки.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство в виде волочильно-прокатной установки (см. информационный листок ВИМИ, №87-0277 "Волочильно-прокатная установка модели ВПУ-120/7,0), которая содержит чередующиеся в технологической последовательности приводные тянущие и неприводные формующие клети, на валах которых консольно закреплены роликовые пары с замкнутым профилированным рабочим калибром, верхние валы каждой клети размещены в ползунах с возможностью их вертикального перемещения для настройки на толщину профилируемой листовой заготовки; консоли валов с роликовыми парами на окончательных переходах заключены в регулируемые на толщину (заготовки) хомуты; привод осуществляется от электродвигателя через жесткие муфты к главному валу установки, от которого посредством зубчатых передач, составляющих единую кинематическую цепь, осуществляется привод других рабочих валов. В начальный период все рабочие клети приводные.

У прототипа и заявляемого в изобретении способа имеются следующие сходные существенные признаки: профилируют плоскую заготовку из алюминиево-литиевого сплава в свежезакаленном состоянии в условиях стесненного изгиба; профилирование ведется за 2...4 перехода в зависимости от геометрии поперечного сечения профиля в роликовых устройствах; на переходе окончательного формообразования в очаге наибольших пластических деформаций прикладывают калибрующее растягивающее усилие по всему поперечному сечению заготовки.

У прототипа и заявляемого в изобретении устройства (волочильно-прокатной установки) имеются следующие сходные существенные признаки: содержит чередующиеся в технологической последовательности приводные тянущие и неприводные формующие клети; роликовые пары с замкнутым профилированным рабочим калибром установлены на рабочих валах консольно; верхние валы каждой клети размещены в ползунах с возможностью их вертикального перемещения; консоли валов с роликовыми парами на окончательных переходах заключены в регулируемые на толщину заготовки хомуты; привод рабочих валов осуществляется от электродвигателя посредством зубчатых передач.

Прототип имеет следующие недостатки: невозможно регулировать скорость профилирования, что снижает технологические возможности ВПУ; невозможность создания осевого подпора и аксиального растяжения на каждом формующем переходе, что также снижает их технологические возможности; невозможность автоматического перехода от процесса прокатки к формообразованию при волочении, позволяющему увеличить предельные степени деформации и сократить количество переходов.

Технический результат - расширение технологических возможностей за счет вариативного управления скоростью профилирования и изменения межосевого расстояния клетей в значительном диапазоне; повышение точностных возможностей процесса.

Перечисленные сходные существенные признаки необходимы для достижения технического результата.

По отношению к прототипам у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные существенные признаки: процесс профилирования ведется при различном сочетании прокатки и волочения, для чего любая из клетей может быть переведена в режим волочения, благодаря автономному приводу и связям через обгонные муфты; возможность профилирования при разных скоростях вращения верхних и нижних валов (роликов), благодаря независимому их приводу; профилирование ведется при бесступенчатом изменении скорости за счет задающего электронного устройства, управляющего работой каждой клети независимо; каждая рабочая клеть работает индивидуально, от автономного привода; клети смонтированы вместе с приводами на площадках, которые могут перемещаться по направляющим для возможности изменения межклетевого расстояния; привод верхних и нижних валов каждой клети независимый, осуществляется посредством гипоидных передач и промежуточных составных вертикальных валов; перемещение ползунов верхних валов клетей осуществляется за счет шлицевого телескопического соединения; изменение скорости профилирования (общее и дифференциальное) осуществляется электронным блоком управления.

Отдельные отличительные признаки предлагаемого технического решения в той или иной мере известны в литературе, в частности, в приведенных прототипах и аналогах.

По имеющимся у авторов сведениям, однако, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, неизвестна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию “новизна”.

Авторы считают, что сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на технический результат, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию “изобретательский уровень”.

Между отличительными признаками заявляемого изобретения и техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь: автономный привод каждой клети, возможность профилирования при разной скорости вращения роликовых пар и переключения с прокатки на режим волочения за счет применения обгонных муфт расширяет технологические возможности процесса; более благоприятные схемы напряженно-деформированного состояния материала при волочении, создание на каждом переходе осевого подпора на входе в роликовые пары и калибрующего растяжения на выходе также повышает технологические возможности процесса и точностные характеристики профиля; изменение межосевого расстояния в широком диапазоне и возможность переустановки клети для изменения межклетевого расстояния, расширяет технологические возможности, так как позволяет менять глубину профилирования и профилировать различные листовые материалы в оптимальном режиме; возможность изменения скорости профилирования также расширяет технологические характеристики и повышает качество профиля благодаря оптимизации процесса для соответствующих материалов и геометрических параметров профилей.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в волочильно-прокатных установках (профилегибочных станах и станках) при изготовлении тонкостенных профилей из труднодеформируемых листовых материалов, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию “промышленная применимость”.

Сущность изобретения пояснена графическими материалами. На фиг.1 изображена волочильно-прокатная установка, вид спереди; на фиг.2 - схема процесса профилирования плоской заготовки по переходам; на фиг.3 -кинематическая схема рабочей клети; на фиг.4 - схема монтажа клети на раме.

В заявляемом изобретении способ по первому пункту формулы изобретения осуществляется следующим образом.

Плоскую листовую заготовку 1 толщиной S₀ 2,0 - 2,5 мм в свежезакаленном состоянии (фиг.1) подают в роликовую пару 2 рабочей клети 3, где усилием Р₁ при торцевом сжатии усилиями P_t (фиг.2) производят подгибку на угол ₁ до 20 - 30 с созданием потери устойчивости в зоне 4 свободного формообразования. При установившемся режиме в неприводной роликовой паре 5 рабочей клети 6 обеспечивают в процессе волочения (второй переход) дальнейшее профилирование и получают профиль 7 с отогнутыми с большим относительным радиусом R/S₀>5 полками и стенками (фиг.2) при угле ₂=65 - 90, в зависимости от окончательной геометрии сечения профиля. В следующей рабочей клети 8 (приводной) вращающаяся роликовая пара 9 создает тянущее усилие и протягивание заготовки через роликовую пару 5 с созданием калибрующего растяжения, может обеспечить частичную подгибку до 90, если угол ₂ был меньше требуемого ₂=90.

Из последней рабочей клети выходит профиль 10 окончательной геометрии и поступает на приемный стол ВПУ (фиг.1, 2).

Способ по п.2 формулы изобретения обеспечивают при профилировании заготовки на начальной стадии в режиме прокатки во всех рабочих клетях, затем, благодаря связи с приводом через обгонные муфты формующие клети переводят в режим волочения в различной последовательности, профилирование заготовки в неприводных роликовых парах (волочение) делает осевой подпор естественным, а аксиальное растяжение создают при регулировании скорости вращения приводной роликовой пары.

По п.3 формулы изобретения волочильно-прокатная установка (фиг.1) состоит из чередующихся в технологической последовательности рабочих клетей 3, 6, 8 и т.д., на рабочих валах которых 11, 12 консольно установлены роликовые пары 2, 5, 9 и т. д. с замкнутым профилированным рабочим калибром. Верхние валы рабочих клетей размещены во втулках-ползунах 13 с возможностью их вертикального перемещения. Консоли валов на окончательных переходах заключены в хомуты 14. Привод рабочих валов 11, 12 каждой клети осуществляется раздельно от электродвигателя 15 посредством зубчатых передач 16 (фиг.3), через тихоходные зубчатые колеса 17, обгонных муфт 18, промежуточных валов 19, и гипоидных передач 20. Для перемещения втулок-ползунов с верхними валами клетей по направляющим стенок корпуса промежуточный вал 19 привода верхнего ролика составной, имеет шлицевое телескопическое соединение 21, при этом втулки-ползуны 13 каждой клети связаны коромыслом 22 и перемещаются по вертикали от одного ходового винта 23.

У волочильно-прокатной установки по п.4 формулы изобретения каждая клеть (их не менее четырех) смонтирована вместе с приводом (электродвигатель 15 и зубчатые передачи 16 трехступенчатого коническо-цилиндрического редуктора 24 (фиг.3, 4)), на площадках 25 с возможностью их перемещения по направляющим рамы 26. Каждая клеть снабжена задающим электронным устройством (на фиг.1, 3 не показано), регулирующим питание электродвигателя 15.

Вращение от электродвигателя 15 автономного привода клетей через тихоходные зубчатые колеса 17, обгонные муфты 18 передают на промежуточные вертикальные валы 19, от них посредством гипоидных зубчатых передач 20 на рабочие валы 11, 12 с установленными на них роликовыми парами 2, 5, 9 и т. д. соответствующих рабочих клетей.

Плоская заготовка 1 при установившемся режиме профилируется во вращающемся роликовом инструменте рабочих клетей, одни из которых создают необходимые усилия прокатки. Сменные зубчатые колеса 17 могут обеспечивать разные скорости вращения валов 11, 12. Обгонные муфты 18 позволяют переводить процесс профилирования в режим волочения при отключенном электродвигателе 15.

При разной глубине формования диаметр роликовых пар различный, требует изменения межосевого расстояния, что обеспечивает перемещение верхних валов 11, заключенных во втулки-ползуны 13, по направляющим стенок клети при настройке клети на толщину заготовки S₀ с помощью ходового винта 23 через коромысло 22.

Отдельные элементы конструкции и способ предлагаемых технических решений отрабатывались на разработанных и используемых в мелкосерийном производстве на предприятиях и в НИИ гибочно-прокатных станках моделей ГПС-200 - ГПС-500 и волочильно-прокатных установках моделей ВПУ-120/7,0, ВПУ-150/7,5 и др.

Заявляемое изобретение представляет интерес для машиностроительной промышленности, в первую очередь для авиакосмической отрасли, так как позволяет профилировать в холодном состоянии листовые заготовки из широкой номенклатуры материалов, не только содержащих литий, в нем реализовано различное сочетание процессов прокатки и волочения, бесступенчатое изменение скорости профилирования, достаточно широкий диапазон изменения межосевого расстояния рабочих клетей, что позволяет вести профилирование при значительной глубине формовки; возможно изменение межклетевого расстояния, ввод и вывод из линии рабочих клетей в зависимости от потребного количества переходов при формообразовании профилей различных типоразмеров и из разных материалов; повышается точность процесса и качество профилей благодаря оптимальному сочетанию процессов прокатки и волочения, создания подпора и аксиального растяжения на каждом формующем переходе и т.д.

Заявляемое техническое решение не оказывает отрицательного влияния на состояние окружающей среды.