RU2572687C1 - Method of production of steel forgings of ball valve half-casings - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: input steel blank in form of shell is heated in range of temperatures of hot pressure forming to temperature variable through the shell height. The simultaneously the head and manhole of the ball valve half casing are formed. The manhole is made by hot swaging and upsetting of the shell. Wherein the shell heating temperature at the appropriate height is determined as per specified relationships.

EFFECT: increased surface quality of the forging, minimisation of oxide scale formation, and, hence, increased tool resistance, reduced metal consumption due to forging shape and size making as close as possible to the same of the part.

2 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к области обработки металлов давлением, и может быть использовано для изготовления крупногабаритных стальных поковок типа полукорпусов шаровых кранов и изделий схожей конфигурации массой свыше одной тонны.The invention relates to the field of engineering, in particular, to the field of metal forming, and can be used for the manufacture of large steel forgings such as half-bodies of ball valves and products of a similar configuration weighing more than one ton.

Известен способ изготовления поковок полукорпусов шаровых кранов, включающий ковку из слитка комплектной поковки на два полукорпуса с последующим разделением на две штучные заготовки при механообработке [Артес А.Э. и др. Совершенствование технологических процессов изготовления деталей арматуростроения методами пластического деформирования // Вестник МГТУ "Станкин". - 2011. - №1(13). - С. 8-12]. При этом процесс получения поковки для детали полукорпуса предусматривает проведение операций протяжки и осадки слитка с удалением донной и прибыльной частей, прошивки отверстия, раскатки на оправке с получением утолщенной части в зоне будущей горловины цилиндрической поковки и операции обжима в срединной части поковки с формообразованием полусфер.A known method of manufacturing forgings of half-shells of ball valves, including forging from an ingot of a complete forging into two half-shells, followed by separation into two piece blanks during machining [Artes A.E. et al. Improvement of technological processes for manufacturing parts of reinforcing industry using plastic deformation methods // Vestnik MGTU "Stankin". - 2011. - No. 1 (13). - S. 8-12]. At the same time, the process of obtaining forgings for the half-shell part provides for operations of drawing and draft ingot with removal of the bottom and profitable parts, flashing holes, rolling on the mandrel to obtain a thickened part in the area of the future neck of the cylindrical forging and crimping operations in the middle part of the forging with the formation of hemispheres.

Недостатком такого способа является низкий коэффициент использования металла с учетом удаления донной и прибыльной частей слитка, потери металла в результате окисления за два нагрева, значительного отхода при прошивке и механообработке при удалении припусков. Также недостатком способа является то, что при штамповке полукорпусов большого диаметра теряется устойчивость металла во время высадки горловины, что приводит к браку.The disadvantage of this method is the low utilization of the metal, taking into account the removal of the bottom and profitable parts of the ingot, the loss of metal due to oxidation during two heating, significant waste during flashing and machining when removing allowances. Another disadvantage of this method is that when stamping half-shells of large diameter, the stability of the metal during the landing of the neck is lost, which leads to marriage.

Из уровня техники известен способ получения поковок крупногабаритных полукорпусов шаровых кранов, имеющих горловину и сферическую часть [Патент РФ №2491147, опубл. 27.08.2013]. В таком способе в качестве исходной трубной заготовки используют стальную центробежнолитую или кованую трубу, которую после проведения нагрева до температуры 1150-1200°C деформируют путем горячего прямого выдавливания в штампе с получением полуфабриката с уменьшенной толщиной. Затем после нагрева полуфабриката производится его штамповка во втором штампе с одновременным осуществлением обжима и раздачи частей полуфабриката сферическим инструментом с получением, соответственно, горловины и сферической части поковки полукорпуса шарового крана.The prior art method for producing forgings of large-sized half-bodies of ball valves having a neck and a spherical part [RF Patent No. 2491147, publ. 08/27/2013]. In this method, a steel centrifugal cast or forged pipe is used as the initial tube billet, which, after heating to a temperature of 1150-1200 ° C, is deformed by hot direct extrusion in a stamp to obtain a semi-finished product with a reduced thickness. Then, after heating the semi-finished product, it is stamped in the second die with the simultaneous crimping and distribution of parts of the semi-finished product with a spherical tool to obtain, respectively, the neck and the spherical part of the forging of the half-body of a ball valve.

Недостатками такого способа являются потеря металла вследствие окисления в результате проведения двух операций нагрева (до 3-х % от объема металла за каждый нагрев), а также связанные с проведением нагрева значительные энергетические затраты.The disadvantages of this method are the loss of metal due to oxidation as a result of two heating operations (up to 3% of the metal volume for each heating), as well as the significant energy costs associated with the heating.

Известен также способ изготовления поковок в виде полусферы с горловиной [Патент РФ №2484915, опубл. 20.06.2013]. Способ включает получение листовой заготовки в виде плоского фланца с отверстием, дальнейшее горячее деформирование с целью получения полуфабриката с кольцевым выступом в зоне отверстия путем осадки в двухсекционном штампе и формообразование поковки путем вытяжки с последующей отбортовкой в другом специальном штампе.There is also known a method of manufacturing forgings in the form of a hemisphere with a neck [RF Patent No. 2484915, publ. 06/20/2013]. The method includes obtaining a sheet blank in the form of a flat flange with a hole, further hot deformation in order to obtain a semi-finished product with an annular protrusion in the hole zone by upsetting in a two-section die and forming the forging by drawing, followed by folding in another special die.

К недостаткам такого способа можно отнести сложность изготовления оснастки для секционной штамповки и потребность в оборудовании с большими номинальными силами. Также из-за остывания полуфабриката при контакте с формующим инструментом во время первой штамповки и при перемещении из первого штампа во второй есть вероятность несоблюдения температурного интервала вытяжки, что может потребовать повторного нагрева металла, снижая производительность процесса.The disadvantages of this method include the complexity of manufacturing equipment for sectional stamping and the need for equipment with high nominal forces. Also, due to the cooling of the semi-finished product in contact with the forming tool during the first stamping and when moving from the first stamp to the second, there is a possibility of non-compliance with the temperature range of the hood, which may require re-heating of the metal, reducing the productivity of the process.

Наиболее близким из уровня техники техническим решением по назначению, технической сути и достигаемому результату является способ изготовления корпусных деталей трубопроводной арматуры [Патент РФ №2281823, опубл. 20.08.2006], включающий нагрев цилиндрической трубной заготовки и формирование из нее днища и патрубка корпусной детали. Данный способ выбран за прототип.The closest prior art technical solution for the purpose, technical essence and the achieved result is a method of manufacturing body parts of pipe fittings [RF Patent No. 2281823, publ. 08/20/2006], including heating a cylindrical tube billet and forming from it a bottom and a nozzle of a body part. This method is selected for the prototype.

К недостаткам данного известного из уровня техники способа следует отнести увеличенный расход металла: потери в результате окисления при нагреве (до 3-х % от объема металла) и увеличение толщины стенки поковки в нижней части полусферы на 3% от исходной, что снижает коэффициент использования металла на 1% - 1,5%, а также ограничение применения способа для поковок больших габаритов.The disadvantages of this method known from the prior art include increased metal consumption: losses due to oxidation during heating (up to 3% of the metal volume) and an increase in the thickness of the forging wall in the lower part of the hemisphere by 3% from the original, which reduces the metal utilization rate by 1% - 1.5%, as well as the limitation of the application of the method for forgings of large dimensions.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение устойчивости процесса деформации.The task to which the invention is directed is to increase the stability of the deformation process.

Достигаемый технический результат - улучшение качества поверхности изделия, включающее уменьшение шероховатости и дефектов, минимизация окалинообразования и, как следствие, увеличение стойкости инструмента, наконец, сокращение металлоемкости за счет приближения вплоть до совпадения формы и размеров поковки к детали.Achievable technical result - improving the surface quality of the product, including reducing roughness and defects, minimizing scale formation and, as a result, increasing tool life, and finally, reducing metal consumption by approaching until the shape and size of the forging to the part match.

Поставленная задача решается и заявленный технический результат достигаются тем, что в способе получения стальных поковок полукорпусов шаровых кранов, включающем нагрев в интервале температур горячей штамповки исходной стальной заготовки типа обечайки и одновременное формирование из нее днища и горловины корпусной детали путем горячего обжима и высадки горловины, температуру нагрева заготовки устанавливают переменной по высоте обечайки так, что

при

при $$a\times {\psi }_h^2-b\times {\psi }_h+c<t_k$$

, кроме того, формирование днища осуществляют путем раздачи исходной заготовки с обеспечением соотношения d₀=0,9…1,1 ×(D_kmax - S₀), гдеThe problem is solved and the claimed technical result is achieved by the fact that in the method of producing steel forgings of half-shells of ball valves, including heating in the temperature range of hot stamping of the original steel billet type shell and the simultaneous formation of the bottom and neck of the body part by hot crimping and disembarking the neck, temperature heating the workpiece is set variable in height of the shell so that

at

at $$a\times {\psi }_h^2-b\times {\psi }_h+c<t_k$$

, in addition, the formation of the bottom is carried out by distributing the original workpiece with a ratio of d ₀ = 0.9 ... 1.1 × (D _kmax - S ₀ ), where

t_h - температура обечайки на соответствующей высоте h;t _h is the temperature of the shell at the corresponding height h;

t_k - температура верхней границы интервала горячей объемной штамповки для поковки;t _k is the temperature of the upper boundary of the hot forging interval for forging;

a=3964…4381, b=304…336, с=742…820 - экспериментально установленные коэффициенты;a = 3964 ... 4381, b = 304 ... 336, c = 742 ... 820 — experimentally established coefficients;

- показатель деформации обечайки на высоте h;

is the deformation index of the shell at a height h;

D₀ - внешний диаметр заготовки до деформации на высоте h;D ₀ - the outer diameter of the workpiece before deformation at a height h;

D_k - внешний диаметр заготовки после деформации на высоте h;D _k is the external diameter of the workpiece after deformation at a height h;

d₀ - внутренний диаметр заготовки до деформации на высоте h;d ₀ is the inner diameter of the workpiece before deformation at a height h;

d_k - внутренний диаметр заготовки после деформации на высоте h;d _k is the inner diameter of the workpiece after deformation at a height h;

D_kmax - максимальный внутренний диаметр днища;D _kmax is the maximum internal diameter of the bottom;

S₀ - толщина стенки исходной заготовки.S ₀ - wall thickness of the original billet.

Приведенные интервалы экспериментально установленных коэффициентов a, b и с применимы для сталей с содержанием углерода до 0,5%, в том числе низколегированных сталей, используемых для заявленного вида в изобретении изделий.The above ranges of experimentally established coefficients a, b and c are applicable for steels with a carbon content of up to 0.5%, including low alloy steels used for the claimed form in the invention of products.

Указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.The features indicated in the independent claim are essential and interconnected with each other with the formation of a stable set of necessary features sufficient to obtain the required technical result.

Заявленные в формуле изобретения интервалы температур нагрева зон и значение внутреннего диаметра заготовки получены экспериментально и являются оптимальными, поскольку при выходе за них не обеспечивается получение изделия удовлетворительного качества.The temperature ranges of the heating zones and the value of the inner diameter of the workpiece, as claimed in the claims, are obtained experimentally and are optimal, since leaving them does not provide a product of satisfactory quality.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для обработки металлов давлением, в частности для получения крупногабаритных стальных поковок типа полукорпусов шаровых кранов массой свыше одной тонны, используемых в арматуростроении;- the object embodying the claimed technical solution, when it is implemented, is intended for metal forming, in particular for producing large-sized steel forgings such as half-bodies of ball valves weighing more than one tonne used in valve manufacturing;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанного в заявке метода;- for the claimed object in the form as it is characterized, the possibility of its implementation using the method described above in the application is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the requirements of the patentability conditions of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.

Сущность заявленного способа поясняется чертежами, где:The essence of the claimed method is illustrated by drawings, where:

- на Фиг. 1 представлена схема штамповки из заготовки в виде обечайки;- in FIG. 1 is a diagram of a stamping from a blank in the form of a shell;

- на Фиг. 2 представлен график предпочтительной температуры нагрева для зон поковки в зависимости от воспринимаемой деформации.- in FIG. Figure 2 shows a graph of the preferred heating temperature for the forging zones as a function of perceived deformation.

Способ реализуют следующим образом. Трубную цилиндрическую заготовку 1 дифференцированно нагревают с получением заданного температурного градиента. Нагрев может осуществляться в две стадии, сначала всей массы заготовки, например газопламенным нагревом до 700°C, затем локально высокоскоростным индукционным нагревом. Дифференцированный нагрев позволяет сократить время нагрева, а также избежать нагрева поверхности металла части заготовки до температур свыше 900°C, при которых наблюдается процесс интенсивного окалинообразования. Это, в конечном счете, позволяет уменьшить расход металла заготовки до 2%.The method is implemented as follows. The tube cylindrical billet 1 is differentially heated to obtain a predetermined temperature gradient. Heating can be carried out in two stages, first the entire mass of the workpiece, for example by flame heating to 700 ° C, then locally by high-speed induction heating. Differentiated heating allows to reduce the heating time, as well as to avoid heating the surface of the metal part of the workpiece to temperatures above 900 ° C, at which there is a process of intense scale formation. This, ultimately, allows to reduce the consumption of metal billets up to 2%.

Нагретую заготовку устанавливают на обжимной пуансон 2. Перекос заготовки от вертикального положения обеспечивает касание нижнего торца указанной заготовки с плоскостью подвижной опоры 3. Включают привод матрицы 4, которая, перемещаясь, начинает деформировать заготовку с силой P. В процессе деформации осуществляется операция обжима и раздачи с формированием днища в полости, образуемой между поверхностями матрицы 4, обжимного пуансона 2 и опоры 3, смещаемой под действием указанной матрицы. При этом раздача осуществляется за счет того, что значение внутреннего диаметра заготовки выбирается меньше максимального диаметра днища (нижнего пуансона) на заданную величину. Это обеспечивает благоприятную схему деформации и ускоряет остывание данного (подверженного раздаче) объема заготовки, что предотвращает потерю устойчивости заготовки в виде утолщения стенки при формообразовании. Отсутствие утолщения обеспечивает стабильность процесса деформации и предотвращает увеличение технологической силы, что важно при изготовлении крупногабаритных поковок. Далее включается привод формующего пуансона 5, который, перемещаясь, деформирует с силой P₁ верхнюю часть заготовки и формирует горловину поковки. Сформированная поковка снимается с обжимного пуансона силой P₂ под действием подвижной опоры 3 и удаляется из штампа. Штамп готов принять следующую заготовку.The heated workpiece is installed on the crimping punch 2. Skewing the workpiece from a vertical position ensures that the lower end of the specified workpiece touches the plane of the movable support 3. The drive of the die 4 is turned on, which, moving, starts to deform the workpiece with force P. During the deformation, the crimping and distributing operation is performed with the formation of the bottom in the cavity formed between the surfaces of the matrix 4, the crimp punch 2 and the support 3, displaced by the specified matrix. In this case, the distribution is carried out due to the fact that the value of the inner diameter of the workpiece is selected less than the maximum diameter of the bottom (lower punch) by a predetermined value. This provides a favorable deformation scheme and accelerates the cooling of a given (subject to distribution) volume of the workpiece, which prevents the loss of stability of the workpiece in the form of thickening of the wall during shaping. The absence of thickening ensures the stability of the deformation process and prevents an increase in technological force, which is important in the manufacture of bulky forgings. Next, the drive of the forming punch 5 is turned on, which, moving, deforms with the force P _{1 the} upper part of the workpiece and forms the neck of the forging. The formed forgings are removed from the crimping punch by a force of P ₂ under the action of the movable support 3 and removed from the stamp. The stamp is ready to accept the next blank.

Проведенные испытания показали возможность использования заявленного технического решения крупногабаритных стальных поковок типа полукорпусов шаровых кранов и изделий схожей конфигурации.The tests carried out showed the possibility of using the claimed technical solution of large-sized steel forgings such as half-bodies of ball valves and products of a similar configuration.

Признаки и значения интервалов, заявленные в формуле изобретения, получены экспериментальным путем (см. Таблицу 1).The signs and values of the intervals claimed in the claims are obtained experimentally (see Table 1).

Так, например, для поковки полукорпуса с типоразмером Dy=700 мм из стали 09Г2С [ГОСТ 5520-79] и параметрами:So, for example, for forging a half-shell with a standard size Dy = 700 mm from steel 09G2S [GOST 5520-79] and parameters:

d₀=1040 мм - внутренний диаметр заготовки;d ₀ = 1040 mm is the inner diameter of the workpiece;

D_kmax=1110 мм - максимальный внутренний диаметр днища поковки;D _kmax = 1110 mm - the maximum inner diameter of the bottom of the forgings;

S₀=60 мм - толщина стенки заготовки; численные значения коэффициентов составляют:S ₀ = 60 mm is the wall thickness of the workpiece; the numerical values of the coefficients are:

a=4068…4277; b=312…328; c=762…800.a = 4068 ... 4277; b = 312 ... 328; c = 762 ... 800.

Температура нагрева для зон в зависимости от воспринимаемой деформации для поковки Dy 700 из стали 09Г2С отражена на графике (Фиг. 2).The heating temperature for the zones, depending on the perceived deformation for forging Dy 700 from steel 09G2S, is shown in the graph (Fig. 2).

Выдержанное значение температуры нагрева заготовки обеспечивает получение качественных стальных поковок типа полукорпусов шаровых кранов и изделий схожей конфигурации, в том числе массой свыше одной тонны.The sustained value of the heating temperature of the workpiece ensures the production of high-quality steel forgings such as half-shells of ball valves and products of a similar configuration, including a mass of more than one ton.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - повышение устойчивости процесса деформации - решена и заявленный технический результат - улучшение качества поверхности изделия, включающее уменьшение шероховатости и дефектов, минимизация окалинообразования и, как следствие, увеличение стойкости инструмента и наконец сокращение металлоемкости за счет приближения вплоть до совпадения формы и размеров поковки к детали - достигнут.The foregoing allows us to conclude that the task set - increasing the stability of the deformation process - is solved and the claimed technical result is improving the surface quality of the product, including reducing roughness and defects, minimizing scale formation and, as a result, increasing tool life and finally reducing metal consumption due to approximation up to the coincidence of the shape and size of the forgings to the details - achieved.

Claims (2)

1. Способ получения стальных поковок полукорпусов шаровых кранов, включающий нагрев в интервале температур горячей штамповки исходной стальной заготовки в виде обечайки и одновременное формирование из нее днища и горловины корпусной детали, при этом горловину корпусной детали формируют путем горячего обжима и высадки, отличающийся тем, что температуру нагрева исходной заготовки устанавливают переменной по высоте обечайки, причем температуру обечайки t_h на соответствующей высоте h определяют из следующих зависимостей:

при

,

t_h=t_k при

,
где t_k - температура верхней границы интервала горячей объемной штамповки;
a=3964…4381, b=304…336, c=742…820 - экспериментально установленные коэффициенты;

- показатель деформации обечайки на соответствующей высоте h;
D₀ - внешний диаметр обечайки до деформации на соответствующей высоте h;
D_k - внешний диаметр обечайки после деформации на соответствующей высоте h;
d₀ - внутренний диаметр обечайки до деформации на соответствующей высоте h;
d_k - внутренний диаметр обечайки после деформации на соответствующей высоте h.1. The method of obtaining steel forgings of the half-shells of ball valves, including heating in the temperature range of hot stamping of the original steel billet in the form of a shell and the simultaneous formation of the bottom and neck of the body part, while the neck of the body part is formed by hot crimping and upsetting, characterized in that the heating temperature of the initial billet is set variable according to the height of the shell, and the temperature of the shell t _h at the corresponding height h is determined from the following relationships:

at

,

t _h = t _k for

,
where t _k is the temperature of the upper boundary of the interval hot stamping;
a = 3964 ... 4381, b = 304 ... 336, c = 742 ... 820 — experimentally established coefficients;

is the deformation index of the shell at the corresponding height h;
D ₀ is the outer diameter of the shell before deformation at the corresponding height h;
D _k is the outer diameter of the shell after deformation at the corresponding height h;
d ₀ - inner diameter of the sleeve prior to deformation corresponding to a height h;
d _k is the inner diameter of the shell after deformation at the corresponding height h. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование днища осуществляют путем раздачи исходной заготовки в виде обечайки с обеспечением соотношения
d₀=0,9…1,1×(D_kmax-S₀),
где D_kmax - максимальный внутренний диаметр днища;
S₀ - толщина стенки исходной заготовки. 2. The method according to p. 1, characterized in that the formation of the bottom is carried out by distributing the original workpiece in the form of a shell with a ratio
d ₀ = 0.9 ... 1.1 × (D _kmax -S ₀ ),
where D _kmax is the maximum internal diameter of the bottom;
S ₀ - wall thickness of the original billet.

Images