Концепция ресурсосбережения с использованием машин и технологий обработки давлением

Один из ее видов это окисление металлов или коррозия. Борьба с ней ведется различными методами, начиная с нанесения покрытий и заканчивая сложным легированием, но никакие меры не приносят окончательного успеха, поскольку чаще всего они не достаточны.

Другой вид – растрескивание.

Оба они, в конечном итоге, ведут к потере конструкционной прочности.

Одним из путей, дающих некоторую возможность преодоления этой негативной наследственности, является шлифование.

Научную основу явления образования трещин разрабатывал Гриффитс, который показал, что если улучшить состояние поверхности испытуемого образца, то его прочность увели- чивается многократно (см. следствие 3.3 постулата 3).

Шлифование и ставит одной из своих целей улучшение состояния поверхности детали (см. следствие 3.3 постулата 3). Это улучшение действует по нескольким направлениям, например трубы горячей зоны ядерного реактора установлены либо со шлифованной, либо с электрохимполированной поверхностью. Это дает возможность резко поднять их ресурс за счет того, что улучшение качества поверхности (см. следствие 3.3 постулата 3) уменьшает вероятность трещинообразования и вероятность проявления различных видов коррозии и последующего трещинообразования.

Другой пример – при нанесении покрытия при плохом проведении подготовительных работ оно будет не долговеч- но. В случае металла требуется удаление с окрашиваемой поверхности всех окислов, поскольку «окисел – металл» это гальваническая пара, которая сведет на нет большую часть проделанной работы в виде появившихся «питтингов», а затем

èприведения данного покрытия в негодность.

Âслучае работы изделия в атмосферных условиях – постоянное циклическое температурное нагружение, усугубляемое сыростью и химически агрессивной средой, расшатывают поверхность изделия, и оно в скором времени погибает.

Другая возможность уменьшить влияние негативной наследственности – это правильные конструктивные решения (см. постулат 6).

Так, например, анализ снарядостойкости в зависимости от угла встречи снаряда с броней позволил произвести усиление

31

броневой защиты советских танков в значительной мере за счет выгодной геометрии их частей, а это уменьшение веса, запас хода, маневренность и многое другое. Технологии СТЕЛС частично также основаны на отражениях, только не снарядов, а радиоволн.

В этом аспекте следует коснуться и таких вещей, как нали- чие различных застойных зон в теплообменном оборудовании, например щелевых зазоров при использовании подкладных колец в сварочных швах, интенсифицирующих щелевую коррозию.

Для улучшения работы конструкции в проекте также желательно указывать наиболее благоприятное расположение волокон устанавливаемых деталей, оптимальные размерные соотношения с разных точек зрения: прочности, технологич- ности, сварки, коррозии и т. д. Немаловажную роль играет подбор материалов, стыкующихся между собой и их окружением, проведения операций термообработки в процессе изготовления (см. следствие 3.2 постулата 3), а также авторский конструкторский надзор (см. постулат 6).

12. Неравномерное распределение показателей свойств в объеме заготовки имеет различную природу:

а) наследственность шихтовки (см. постулат 1); б) наследственность плавки (см. постулат 1);

в) наследственность разливки (см. следствие 3.3 постулата 3); г) наследственность кристаллизации (см. постулат 2); д) наследственность нагрева под деформацию (см. посту-

лат 3); е) наследственность деформации (см. постулат 2);

ж) наследственность охлаждения и термической обработки (см. постулат 3).

Если начать рассматривать эту классификацию с середины, например с нагрева под деформацию, то необходимо заметить, что данная наследственность носит вероятностный и предопределенный характер (см. постулат 6).

Вероятностный процесс возникновения неравномерности имеет ярко выраженный социальный оттенок (см. постулат 6). Например, температурный клин при прокатке имеет увеличение к концу прокатки, но выявлен случай, когда было наоборот, а затем доказано, что это достаточно вероятно, поскольку выявлено распределение температуры в печи в ноч-

32

ную смену (см. следствия 3.2, 2.1, 2.2, 2.3), для которой характерен обратный температурный клин.

Предопределенный характер – это когда в технологии или оборудовании заложено что-то, от чего не уйти, например глиссажные трубы. В месте касания нагреваемой заготовки и глиссажной трубы имеется явное неравномерное распределение температурного поля (см. следствие 3.2); при прокатке в этом месте центральная зона сместится в ту или другую сторону, и это сохранится и в готовом продукте (см. следствия 2.1, 2.2, 2.3).

Чем это чревато?

Например, хорошо раскисленный металл (см. постулат 2) подвергают глубокой вытяжке. В случае получения рандолей из сортового круга, в тех местах, где произошло смещение центральной дефектной области (см. следствия 2.1, 2.2, 2.3), будет аномалия течения металла, что может повлечь за собой какое-то количество брака и его необходимо будет отсортировать.

Такое же возможно сказать и о рандолях, полученных из листового металла (см. постулат 2).

Далее, неравномерность может возникнуть при деформировании (см. следствия 2.1, 2.2, 2.3), даже если при этом металл будет равномерно прогрет. Это может касаться ковки слитков и заготовок в комбинированных бойках и чтобы этого не произошло, необходимо применять специальные приемы.

Далее, неравномерность получается при термообработке (см. следствие 3.2), корреспондируясь с различными ликвациями из начальных пунктов этой классификации, в одних местах усиливаясь, а в других ослабляясь, и может создать такое поле свойств по объему заготовки, что при механической обработке начнутся поводки, которые необходимо исправлять правкой. Напряжения, вносимые ею, в определенных случаях необходимо уменьшать термообработкой (см. следствие 3.2), иначе изделие выйдет из строя не достигнув по времени назначенного срока эксплуатации.

13. Комплексные технологии (гибридные) (см. постулат 4) – это такие технологии изготовления какой-то детали, когда при ее производстве невозможно или экономически нецелесообразно обойтись какой-либо одной отраслью знания, а необходимо привлекать смежные науки. Во-первых, необходимо

33

заметить, что комплексность может быть близкая, смежная и родственная, например: осадка-штамповка [см. Анненков К. В., Каплунов Б. Г. Совмещенная ковка-штамповка кольцевых поковок // заготовительные производства в машиностроении. 2008, № 6. С. 22–27], протяжка – штамповка, ковка – сварка; де-

формированная заготовка и способ ее рационального раскроя, механическая обработка – правка – термообработка, ковка – штамповка – ультразвуковой контроль и т. д.

Применение сварки в производстве различных изделий находит все более широкое применение, однако взоры конструкторов на эту область обращаются обычно, когда подругому сделать невозможно. Существуют детали, изготовление которых можно было бы осуществить без использование этого процесса и при очень высокой себестоимости, т. е. совершенно не целесообразной экономически. В работах, приведенных ниже, рассмотрена технология изготовления деталей с применением сварки без потери потребительского их качества.

А. Изготовление замков секций бурильной колонны. Для изготовления замков секций бурильной колонны требуются заготовки размером 340/ 200×540 мм из высокопрочной

ударностойкой стали, например 38ХН3МФА.

При этом в крупносерийном производстве стальную деталь, имеющую центральное отверстие и указанные выше размеры, возможно изготовить из трубы соответствующего размера с последующей разрезкой, термообработкой и дальнейшей механической обработкой путем обтачивания и фрезерования. Однако, производство таких труб может окупиться только при заказе большой по количеству изделий партии. Изготовление описываемых деталей относится скорее к мелкосерийному, чем крупносерийному производству (см. постулат 4).

Известно, что при мелкосерийном производстве заготовки деталей с центральным отверстием производятся методом ковки, однако при этом необходимо иметь в виду, что не все типоразмеры деталей возможно таким способом изготовить. Это напрямую касается замков секций бурильной колонны.

Получение подобных деталей из заготовок, не имеющих центрального отверстия, т. е. только методами механической обработки на станках, совсем не экономично и очень дорого

34

из-за большого количества отходов дорогостоящей стали, зна- чительно увеличенной трудоемкости и потребности в специальном высокостойком инструменте.

Известна фирма FRANKI GEOTECHNIKS, Бельгия, которая создает и использует секции буровых колон с применением замков. При этом, то ли у них данных деталей производится достаточно много и они имеют возможность заказывать для этих целей трубный металлопрокат, то ли они изготавливаются из сплошных заготовок (что маловероятно), но их замки состоят из цельных элементов: корпуса и втулки.

Известно применение операций сварки в случаях, когда по каким-либо причинам технического или экономического характера невозможно изготовить ту или иную деталь целиком [см., например, Атрошенко А. П., Федоров В. И. Металлосберегающие технологии кузнечно-штамповочного производства. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. – 279 с.]. Однако приведенные при этом примеры использования операций сварки относятся к сварно-кованому производству, а также описывается изготовление деталей при крупносерийном производстве (см. постулат 4), когда изготовление штампов для получения заготовок, которые потом будут сваривать, экономически оправдано, и самое главное, что размеры свариваемых заготовок несравненно меньшие, чем размеры замков бурильных колон, для изготовления которых требуются ГКМ большой мощности.

Цель данной работы состоит в получении возможности использования более экономичного метода ковки с последующей сваркой при изготовлении из высокопрочной, ударностойкой стали замков секций бурильной колоны, каждый из которых имеет центральное отверстие и состоит из двух элементов: корпуса и втулки.

Указанная цель достигается следующим образом: заготовку для каждого из элементов замка сначала изготавливают из двух частей путем их ковки в виде кольца с учетом припусков под термическую и механическую обработки, затем производят механическую обработку кромок будущего сварного соединения путем точения торцов соответствующих заготовок с обеспечением центрирования одного относительно другого и расположения корня сварного соединения за пределами чистовых размеров деталей корпуса и втулки, после чего осуществляют сварку этих частей для получения соответствующих корпуса и втулки, далее их термообрабатывают (высокий

35

отпуск) (см. следствие 3.2) и выполняют механическую обработку до требуемых размеров с гарантированным удалением корня сварного шва (см. постулат 2).

Благодаря описанному технологическому процессу обеспечивается возможность изготовления замков секций бурильной колонны более экономичным способом на имеющемся оборудовании с сохранением их потребительских ка- честв.

Б. Получение детали с параллельными глубокими отверстиями

Работа относится к обработке деталей, имеющих параллельные глубокие отверстия, методом сборно-сварной конструкции, при этом глубокими считаются отверстия, у которых отношение длины отверстия к его диаметру больше пяти.

Известно, что при обработке детали, имеющей глубокое отверстие, можно воспользоваться способом глубокого сверления отверстий, при котором детали и инструменту сообщают относительное вращательное движение, а инструменту движение подачи и колебательные движения, при этом сверление осуществляют инструментом двухстороннего резания, крайним точкам режущих кромок которого в процессе колебательных движений сообщают движение по окружности с центром на продольной оси инструмента, а частоту колебаний выбирают равной четному числу полных периодов колебаний инструмента за один относительный оборот детали, кроме того, колебательные движения инструменту сообщают в плоскости, проходящей через его продольную ось и перпендикулярной дну образуемого отверстия. Однако, если в детали, которую необходимо обработать, имеется несколько параллельных глубоких отверстий, и к тому же они имеют различный диаметр, то воспользоваться известным способом и просверливать каждое глубокое отверстие отдельно невозможно, т. к. неизбежно возникнет увод продольной оси каждого отверстия, и, следовательно, параллельность глубоких отверстий не будет соблюдена. При этом мероприятия, предложенные в [Обработка глубоких отверстий / Н. Ф. Уткин, Ю. И. Кижняев, С. К. Плужников и др.; Под общ. ред. Н. Ф. Уткина. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. – 269 с.] для предотвращения увода продольной оси каждого отверстия, особенно при отношении длины отверстия к его диаметру больше пяти не дают требуемого результата.

36

Такие же выводы можно сделать и по координатно-рас- точной базе на координатно-расточных станках.

Цель данной работы состоит в получении возможности обработки на существующем оборудовании деталей, имеющих параллельные глубокие отверстия, у которых отношение длины отверстия к его диаметру больше пяти.

Она достигается тем, что заготовку, из которой предполагается изготавливать деталь с несколькими параллельными глубокими отверстиями, разрезают на части поперек направления указанных отверстий. После этого просверливают с двух сторон, в каждой из частей заготовки, в соответствии с требуемым месторасположением, параллельные глубокие отверстия. Далее производят механическую обработку кромок будущего сварного соединения путем точения торцов соответствующих частей с обеспечением центрирования одной относительно другой. Затем части с просверленными глубокими отверстиями собираются, вставляя при этом в каждое из отверстий, в зависимости от его величины, центрирующую заглушку, либо в виде втулки, имеющей длину, превышающую размеры будущего сварного шва, и помещаемую на стыке между соединяемыми частями, либо в виде боночки, снабженной с торцов отверстиями центровки для центрирования сверла и также имеющую длину, превышающую размеры будущего сварного шва, и помещаемую на стыке между соединяемыми частями. Далее соединяемые части свариваются вместе с центрирующими заглушками. После этого осуществляется термическая обработка заготовки в зависимости от ее материала. В заключении производится рассверливание центрирующих заглушек, выполненных в виде втулок или боночек и расположенных в каждом глубоком отверстии, до требуемых размеров соответствующего параллельного глубокого отверстия.

Благодаря приведенной технологии обеспечивается возможность обработки описываемых деталей на имеющемся оборудовании с сохранением параллельности глубоких отверстий [см. также патент 2397047].

В. Эволюция заготовки для волочения – от острения до приварки захватки (см. постулат 4).

Известно, что в технологическом процессе производства холоднодеформированных труб методом волочения после разрезки заготовки на части, при изготовлении труб конеч- ной длины, имеется операция забивки концов труб под моло-

37

том (см., например, Розов Н. В. «Справочник для рабочих», 1974. С. 418–421). При этом величина потерь материала труб составляют от 0,1 до 8 % веса металла.

Известно также, что при производстве труб методом воло- чения для захвата трубы передний конец ее делают кониче- ским в виде захватки, которой в зависимости от вида и размера изделия придают ту или иную форму (см., например, Шевакин Ю. Ф. и др. «Производство труб», 1968. С. 422–423). Указанный конец трубы в виде захватки является технологиче- ски необходимой частью для производства, но с точки зрения экономики относится к безвозвратным потерям.

При производстве толстостенных труб методом волоче- ния, когда заходной конус (захватку) получали механической обработкой и при этом в 30 % случаев происходили обрывы, то для уменьшения их вероятности использовали заковку концов труб, т. е. получали равнопрочное сечение по всему телу заготовки (см., например, статью Комаишко С. Г. и др. «Много-

функциональное устройство для заготовительных операций», Металлообработка, 2001, № 5 (47). Ñ. 46–50). При этом концы

труб, подвергающиеся и механической обработке и заковке, с точки зрения получения готового изделия – трубы, также является потерями производства.

При производстве прутков методом волочения операция острения прутков технологически требуется всегда, чтобы прутки свободно проходили в канал волоки (см., например, Лунев В. А. «Волочение и прессование металлов», 1978. С. 26–31). При этом эффективной мерой уменьшения потерь металла на утонение концов и увеличения производительности является использование в производстве бухтового подката, когда концы бухт свариваются между собой на стыкосварочной машине, и поэтому острение конца происходит только один раз при перестройке волочильного агрегата на новый размер. Естественно, что острение концов при производстве прутков также является потерями металла, кроме того, само острение концов, например фасонных профилей, представляет собой сложную операцию.

Технический результат состоит в уменьшении потерь при производстве заготовок для изготовления труб или прутков методом волочения, особенно если используется дорогостоящие виды металла, а также в упрощении процесса изготовления захватки при отдельном ее исполнении без наличия при этом трубы или прутка исходного размера.

38

Для достижения указанного технического результата в заготовке для изготовления трубы или прутка методом волоче- ния, содержащей часть трубы или прутка исходного размера и часть трубы или прутка, выполненную в виде захватки и располагаемую на одном из концов заготовки, обе части выполнены между собой соединенными после того, как первона- чально каждая из них была выполнена по отдельности. При этом обе части могут быть выполнены или из одинакового материала, или они могут быть выполнены из различных материалов, кроме того, обе части могут быть соединены между собой с помощью сварного соединения, а также часть трубы или прутка, выполненная в виде захватки, может быть изготовлена из менее дорогостоящего материала.

Заявляемые конструктивные признаки, позволяют сэкономить используемый при производстве материал, особенно если это дорогостоящие виды металла, а также облегчить сам процесс изготовления заготовки, при котором изготовление непосредственно части, выполненной в виде захватки, может быть различным, например с использованием только механи- ческой обработки или сочетания штамповки и механической обработки, или, например, штамповки методом выдавливания и т. д.

Каждая заготовка для изготовления трубы или прутка методом волочения состоит из двух частей: часть трубы или часть прутка исходного размера и часть трубы или часть прутка, выполненная в виде захватки. Захватка может быть выполнена внутри сплошной или иметь сквозное отверстие, технологически необходимое для дальнейшего изготовления. При этом обе части между собой соединены, например, с помощью сварного соединения с образованием сварного шва или. Соединение обеих частей между собой может быть и другого вида, например резьбовое. До соединения часть, выполненная в виде захватки, или изготавливается отдельно по соответствующей технологии и, если это необходимо, то из менее дорогостоящего материала, что позволяет упростить и удешевить процесс изготовления трубы или прутка методом волочения [см. также патент 91301].

Рассмотренные примеры из производственной практики свидетельствуют о том, что существующий подход к изготовлению заготовок для машиностроительного мелкосерийного производства – рационален. Использованием описанного технологического приема можно на порядок повысить суще-

39

ствующую эффективность работы, естественно с жесточайшим контролем качества выпускаемой продукции.

14.Герметизация части трубы – патрубка, позволяющая создать замкнутое пространство внутри нее, наполненное инертным газом, обеспечивающее тем самым изготовление отвода, колена или труб из высоколегированной стали с требуемым качеством его внутренней поверхности (см. следствие 3.3) после проведения с ней высокотемпературной термообработки (см. следствие 3.2).

Указанный технический результат достигают тем, что сна- чала в трубу вставляют проволочный кондуктор с прикрепленным к нему банником, затем на один торец трубы, в которой находится банник, приваривают заглушку, имеющую резьбовую втулку, в которую вкручен штуцер для прокачки автомобильных тормозов, с надетым на него шлангом, присоединенным к баллону с инертным газом, далее после вклю- чения подачи инертного газа и с помощью проволочного кондуктора банник постепенно выдвигают из трубы вплоть до его полного извлечения, затем, не сбрасывая давления, на второй торец трубы наваривают вторую заглушку, после чего, осуществляя поворот штуцера для прокачки автомобильных тормозов, трубу герметизируют. При этом в качестве инертного газа можно использовать аргон, а в случае, если герметизировать необходимо трубу, имеющую на концах резьбу, концевые заглушки изготавливают в виде глухой емкости, на внутренней боковой поверхности которой выполнена резьба, имеющая размер идентичный размеру на герметизируемой трубе, а в одну из заглушек вмонтирован штуцер для прокачки автомобильных тормозов. Кроме того, для уплотнения соединения герметизируемой трубы с концевой заглушкой используют металлические прокладки из пластичных материалов, в частности медь, сталь 10 и т. д. На данный способ выдан патент РФ № 2476756.

15.Ремонт части трубопровода с сохранением его эксплуатационных свойств

Рассмотрим абстрактный пример. Допустим в какую-то конструкцию заложена труба из стали St.52. Требуется ремонтный вариант части трубопровода. Поскольку отечественные заводы трубы из данной марки не выпускают или выпускают в ограниченном количестве (в основном на импорт), а вам требуется ее не много, и поэтому об отдельном заказе не может

40