Инструмент для изготовления труб проталкиванием

 

Изобретение, относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении бесшовных труб проталкиванием. Цель изобретения - сокращение расхода металла на донную обрезь. Инструмент для изготовления труб проталкиванием содержит калибр и ступенчатую оправку i утоненным передним концом. Образующая поверхность переднего конца оправки выполнена по кривой, параметры которой определя 1отся размерами ступеней оправки, калибра и зазора меязду ним1{. 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОРИА ЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

НЮ (Н) ($D 4 В 2! В 17/08 В 21 С 1/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ

Патент СССР В 724078, кл . В 21 В 17/08, 1977.

Ю\

° °

° Ю

°

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3974468/23-02 (22) 25.09.85 (46) 15.07.88. Бюл. В 26 (72) И.Н.Лебединский (53) 621.778.016(088.8) (56) Данилов Ф.А. и др. Горячая прокатка и прессование труб. М.: Металлургия, 1972, с. 396, 397, 402. (54) ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБ

ПРОТАЛКИВАНИЕМ (57) Изобретение относится к обработ ке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении decmosных труб проталкиванием. Цель изобретения — сокращение расхода металла на донную обрезь. Инструмент для из» готовления труб проталкиванием содержит калибр и ступенчатую оправку с утоненным передним концом. Образующая поверхность переднего конца оправки выполнена по кривой, параметры которой определяются размерами ступеней оправки, калибра и зазора между ними. 1 ил., 1 табл.

1409357

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления бесшовных труб, например, для крупногабаритных пароперегревателей в атомной энергетике, баллонов, стояков морского бурения.

Цель изобретения — сокращение расхода металла на донную обрезь, 10

На чертеже представлен инструмент.

Инструмент содержит калибр 1, имеющий диаметр D и оправу с утоненным передним концом 2 с криволинейной образующей, торцом 3, имеющим диаметр

d и рабочей частью 4 диаметром d.

Образующая поверхность переднего утоненного конца оправки выполнена по кривой по длине, допускаемой зависимостью т 20

1 > ---- — 1 (1) г ,1г

1 — К(1 — -г-) дг где L — длина утоненного переднего конца оправки с диаметром на

25 торце

T — эаэбр между калибром, имеющим диаметр D и рабочей ступенью оправки, имеющей диаметр d;

К вЂ” коэффициент формы переднего

30 конца

1

С1 (2) 35

Для изготовления толстостенных гильз форма переднего конца оправки определяется

1 г

2Т Х

1 + --(1 — -)

d 1 где Х вЂ” текущее значение длины утоненного переднего конца оп- 45 равки, начиная от ее торца, d„ — диаметр утоненного переднего конца оправки на расстоянии

Х от ее торца, Т вЂ” величина зазора между калиб ром и рабочей ступенью оправки, Ь вЂ” полная длина утоненного переднего конца оправки, d — диаметр рабочей ступени оправки.

Для такой оправки коэффициент формы переднего конца оправки определен выражением

D 1 d

К = 1 — — — — -(3 — — ) — 1 (4) (d 2 D

1 в где D — диаметр калибра.

Для проталкивания тонкостенных гильз оптимальной является форма переднего конца оправки, имеющая максимально допустимые значения диаметра в любом ее сечении, обеспечивающая использование полной несущей способности стенки гильзы, которая определена соотношением (s) а коэффициент формы в этом случае определяется иэ соотношения ,1г . С1г

2 — --(3 — --) рг пг

К (6) дг дг

4 — --(5 — — )

D2 Ог

Оптимальная форма переднего конца оправки, обеспечивающая наиболее благоприятные условия как для донной части гильзы, так и для стенки, определена по длине от торца до leap (изменение диаметра от d< до d p ,1г +,1 г б

-- — — -) выражением (3), а на длине от 1, до Е (изменение диаметра от d,1, до d) выражением (5), при этом 1„р = K,L ; а длина второго участка L — 1,р = L>(1 — К ), где значения L, L определены из соотношения ° (1), К вЂ” из соотношения (4), а К вЂ” иэ соотношения (6).

В плоскости выхода из калибра донной части гильзы 5 ее стенка находится только под действием сдвигающих напряжений от сил, действующих на нее со стороны торца оправки калибра. В этом случае для ее деформации достаточно напряжений, равных половине предела текучести материала гильзы

1н

= — т. По мере протяжки торец on2 равки удаляется от калибра и влияние сдвиговых напряжений на прочность стенки гильзы уменьшается, прекращаясь совсем, когда это расстояние становится больше величины зазора между калибром и оправкой, так как угол между осью протяжки и направлением взаимодействия торца оправки и о калибра становится меньше 45 угла

357

Для того чтобы исключить внеконтактную деформацию стенок гильзы в момент выхода иэ калибра торца перед55 него конца оправки, напряжения в стенках в этом месте не должны превыг и

Q 11 112 о4 1 2 (8) 3 1409 действия максимальных касательных напряжений, приводящих к деформации сдвига. Поэтому для исключения деформации стенки от напряжений меньших

5 предела текучести расстояние между силами, действующими на нее со стороны калибра и оправки в момент выхода рабочей ступени иэ калибра, должно быть не менее величины зазора между протяжным калибром и оправкой.

В момент выхода рабочей ступени оправки из калибра на стенку гильзы передается полное усилие проталкивания Q, которое является равнодейству-15 ющей усилий Q1 и Q>, передаваемых торцом эаходной передней ступени оправки (Q<) и боковой поверхностью (Qz) В Направлении IlpOTcUIKHBBHHR

Сила Я приложена в месте располо- д» жения среднего диаметра переднего конца оправки, определяемого иэ выДг .1. Д2 ражения d p - — — —, расположенного иа расстоянии 1 ь от торца оправки.

Расстояние до места приложения равнодействующей Я от места приложения силы Q,.т.е. от торца оправки, равно 1, а от места приложения силы 30

Q< равно 1, - 1 . Моменты сил Я, и

Q < относительно места приложения их равнодействующей Q эквивалентны произведению этих сип на расстояние до места приложения силы Q и равным меж"- 35 ду собой, откуда 1 а г(ч (7-)

Удельное напряжение на оправке q о равно отношению полного усилия Q к площади поперечного сечения рабочей 40

7( ступени оправки F -d2, т. е.

4Я, 2 . Усилие Я1 определяется как произведение q на площадь торца оп45,12 равки равную л 44, а усилие Qz определится как произведение q на разность площадей поперечного сечения рабочей ступени и торца оправки, рав/I ную -(йг — <12 )

После подстановки значений (v " 1-,э

1 )а выражений (8) и (9) в условие равновесия (7) и соответствукгцих преобразований оно примет вид:

d2 1 m (d2 — d2 ) (1 — 1 ), (10)

Дг откуда 11г lñ», (1 — - ) ° ,12 (11)

В зависимости от формы переднего конца оправки 1„> может принимать различные значения. Отношение К

= — — является показателем формы переднего конца оправки, 1 р KL. После подстановки значения 1ср KI в выражение (11) для 1а имеем с13

1Ц = КЕ(1 — =2) (1г)

Так как с целью исключения влияния сдвигающих напряжений на прочность стенки гильзы место приложения равнодействующей (» должно находиться от рабочей ступени на расстоянии не менее величины зазора Т между калибром и рабочей ступенью оправки, то длина заходной ступени L должна быть не менее 1 + Т, т.е, L3 1 + Т, откуда

L — ТВ KL (1 — Ф). дг (13)

Когда заходная ступень выполнена уступом без переходного участка к рабочей ступени, 1 ь L и К = 1, при этом эаходная ступень должна иметь

112 максимальную длину L> Т вЂ”.

<12

При выпуклой форме переднего конца оправки место расположения среднего диаметра находится ближе к торцу

1,» C 0,5L. При этом длина заходной ступени всегда больше Т.

Определенная по формуле (1) длина утоненного переднего конца оправки полностью исключает внеконтактную деформацию стенок гильзы в момент выхода рабочей ступени оправки иэ калибра при напряжениях в них меньше предела текучести металла трубы б ° (9) н (у,12 ), 4

1,шать значения -о,. Следовательно, 1409357 усилие, передаваемое передним концом, не должно превышать

Q - -(D2 — d ) <, П

4 " 4 2 (14)

Допускаемое усилие протяжки Я по условию прочности стенки равно Q4on =

ll л

-(02 — a2 ) б (15), где — (D2 — d2 )—

4 4 10 площадь зазора между калибром и рабочей ступенью оправки, равная площади поперечного сечения стенок гильзы в месте выхода рабочей ступени оправки

15 иэ калибра а -(D2 — d ) — то же в

4 месте выхода иэ калибра торца переднего конца оправки. !

Полное допустимое усилие протяжки, передаваемое оправкой, равно

Q Л/4d q (16) и равно Q oq определяемому из выражения (15) °

Часть этого усилия, равная. Q< передаваемая торцом эаходной ступени оправки и определяемая соотношением (8), с целью исключения деформации сдвига при выхода торца утоненного переднего торца оправки из калибра, должна быть не более (1, О„, т.е.

Я„(Я1 „. Отсюда справедливо выражение

g2g@l» > gg (17) @оп

После подстановки в это выражение значений усилий, выраженных через напряжения в стенках и на оправке иэ выражений (8), (14), (16), получим:

4

-(D2 — d2 ) и -Дг q

2 4 1 о — — — — — — > (18)

Я г 1,Э

-(02 — a2 )6 "a2

4 4

40 откуда получаем выражение (2)

D 45

После подстановки в выражение (2) значения D = d + 2Т и соответствующих преобразований оно примет вид

d g (19) 50

Определенные таким образом иэ выражений (1) и (2) соответственно значения длины и диаметра эаходного уча-55 стка оправки обеспечивают полное использование несущей способности стенок гильзы при протяжке и при знаках равенства в выражениях (1) и (2) являются оптимальными.

При большем значении диаметра торца утоненного переднего конца оправки d снижается несущая способность околодонной части, так как деформация сдвига в этом случае возникает в ней при усилиях меньших, чем.максимально допустимые по условию прочности стенки протянутой гильзы.

После подстановки оптимального значения торца d, из выражения (2) в выражение (1) получаем выражение оптимальной длины утоненного переднего конца оправки

d2 /Пг

1-К вЂ” - — ——

d2 /Рг (20) k

При протяжке гильзы на оправке последовательно через несколько калибров необходимая длина утоненного,переднего конца оправки уменьшается пропорционально уменьшению зазора Тэто следует иэ выражения (1), и наоборот при уменьшении длины переднего конца оправки на величину Х его длиХ на Е уменьшается при этом в (1 — -)

L раз и соответственно во столько же раз уменьшается допустимая величина

Х

I зазора Т„= Т(1 — -) . Выражение (3) ° оптимальное значение диаметра dz no длине переднего конца оправки получается после подставки в выражение (9) вместо d< его текущего значения а вместо Т его текущего значения

Т = Т(1 — -)

Х х L

При меньших значениях диаметра утоненного переднего торца оправки увеличивается усилие протяжки гильзы на этом учасТке, а также влияние перепада температур между донной частью гильзы и стенкой в районе рабочей ступени оправки на несущую способность стенки, ослабляя ее. Кроме того, с уменьшением диаметра и увеличением длины заходной ступени оправки увеличивается расход металла на изготовление трубы за счет увеличения массы концевого отхода из-за увеличения толщины и длины переходного участка от дна к стенке гильзы.

1409357

d й

d L

Профиль утоненного переднего конца оправки, выполненный в соответствии с зависимостью (3), вогнутый, полностью исключает снижающее влияние сдвигающих напряжений при проталкивании на несущую способность стенки по .всей длине заходной ступени и в каждом своем сечении отвечает условию оптимальности по выражению (2).

Для оправки с формой переднего конца, представленной выражением (3), коэффициент формы переднего конца оправки К 1,> /L находится подстанов20 с1г - сР

КоА 3Haweния d> dzр соотношение (3) . После соответствующих преобразований

1с с1 1 сР

К - - = 1 — — — -(-(— + 1) — 1)

1 Ь D-d 2сР (21) и после подстановки в это выражение оптимального значения диаметра из выражения (2) д ** d/ 1 - d /D получим 30 выражение (4) для коэффициента формы заходной ступен%

d 1 d2

К 1 - — — - -(3---) — 1

1 D-d 2 D2

В формуле (3) не учтено влияние части заходной ступени длиной Х до сечения оправки диаметром d на допустимые напряжения в стенках гильзы.

Поэтому значения диаметра d„ ye явля- 40 ются максимально допустимыми, а длина утоненного переднего конца оправки по выражению (20) не является минимальной.

Предельной форма утоненного переднего конца оправки с точки зрения максимально допустимык напряжений в стенках гильзы по длине переднего конца ступени при условиях протяжки, равных прочности стенок гильзы, опре- 50 делена при задании равномерного изменения напряжений в стенках от 6 /2 до бг по длине эаходной ступени, т.е.

Х

6 . - - (1 + -), (22) 55 где 6„ — предельно допустимые напряжения в стенках гильзы на расстоянии Х от торца утоненного переднегс:.онца оправки L, Усилие, передаваемое утонеиным передним концом оправки, торец которого вышел на расстояние Х из калибра, равно

-6 -(Π— Р ) (23) а с учетом выражения (22)

= -(Рг - сР) -«(1 + -). (24)

6 Х

4 2 Ь

Отношение полного усилия протяжки

g к усилив Q, пропорционально отношению площадей поперечного сечения рабочей ступени и утоненного переднего конца оправки в месте выхода ее иэ калибра { c 4 Р (25)

{ ///4 с1г

Учитывая, что максимальное значение усилия протяжки Q равно 9 1111> после подставки в формулу (25) выражений (15) и (24) имеем

11/4(дг «d2) gi 6 (1 + м с{г с1г (2 6) откуда после преобразований получим выражение (5) для формы переднего конца оправки, имеющей максимально допустимые значения диаметра в любом ее сечении и обеспечивающей использование полной несущей способности стенки гильзы

d d г

Х

Значение -, определенное иэ выражения с1г .1. с{г (5) при d d = — — — являет2 ся по определению коэффициентом формулы Kt

2 - сР /D . (1 + сР /сР )

К вЂ” - — — —" — — с — «/- — (27)

2 4- сгг/d2» d2/у (1 + d2/сР) (fl и с учетом оптимальной величины отсгг с1г ношения (2) -- 2 — — получаем высР

«пг ражение (6) для коэффициента формы утоненного переднего конца оправки

d2/D2 (3 — юг /Dt) = 4-аг/В (5 — аг/О )

Длина утоненного переднего конца оправки определяется путем подстановки в формулу (20) значения К из вы1 ражения (6).

1409357

Анализ выражений (5) и (6) покаэывает, что такая оправка имеет заходную ступень с выпуклой формой боковой поверхности с коэффициентом формы К, 1 1 изменяющимся от 3 до — 2 В диапазоне

0с 5 С1.

В реальных процессах проталкивания 10 с1 отношение — меняется от минимального

1 значения — до максимального, равно1 ГЗ

Fo 0,9, причем при — C — протяжка с использованием полной несущей способности стенки невозможна, так как раньше начнется прошивка дна ° При проТяжке толстостенных гильз с соот20 а ношением - (0,7 оптимальной является оправка с вогнутой формой боковой поверхности утоненного конца оправки в соответствии с выражением (3). Такая форма оправки обеспечивает максимальное усиление донной части гильзы за счет увеличения эффективной толщины дна на величину 1 = L — Т. Например,,1г 30 при — 1/3 коэффициент формы для рг такой оправки из выражения (4) равен

К = 0,79, à L =- 1,46Т. Соответственно эффективное увеличение толщины дна составит 1а 1,46Т, тогда как для 35 оправки с выпуклой формой утоненного переднего конца оправки только 0,22 Т.

При проталкивании тонкостенных

d гильз с отношением 0 7 оптималь 40 ной является выпуклая форма утоненно-. го переднего конца оправки, обеспечивакицая постеленное наращивание напряжений в стенках гильзы по длине переднего конца оправки и исключающая 45 влияние пика усилий и градиента температур при протяжке дна и переходной части гильзы с утолщенной стенкой на протяжку стенки в районе рабочей ступени оправки. 50

На практике на одной оправке деформируют толстостенные и тонкостенные гильзы. В этом случае обоим условиям отвечает оправка, у которой заходная часть утоненного переднего конца оправки до значения среднего ,, - ПОЗ " Ю), выполнена в соответствии с уравнением (3), а прилегающая к рабочей ступени— в соответствии с уравнением (5), причем длина первой части заходной ступени равна

1 ( (28) а второй части 1 L (1 — К ), (29) где К и К определяются иэ уравнений (4) и (6), а 1.< и ? из уравнения (20), причем расчет ведется для максимальной величины зазора между рабочей ступенью оправки и калибром.

Пример. Для изготовления трубы с внутренним диаметром 390 мм и стенкой 60 мм используется исходная заготовка диаметром 760 мм снаружи и ф 410 мм изнутри.

По условию прочности дна гильзы проталкивание с полным использованием прочности стенки может быть при максимальном отношении диаметров калибра и оправки, равном ГЗ, что соответствует максимальному значению диаметра калибра 390 Д = 675 мм и зазору

T = 0,5(675-390) = 142,5 мм. Расчет конструкции оправки производят <От размера калибра ф 675 мм, так как при диаметре оправки ф 390 и большем раэмере калибра предельное напряжение проталкивания, определяется прочностью дна, в этом случае напряжения в стенках всегда меньше предела текучести материала.

Диаметр торца утоненного переднего конца оправки определяем по формуле (2) с1, = 302 мм.

Коэффициент формы первой (вогнутой) части утоненного переднего конца оправки определен из формулы (4) и равен К1 = 0,79, à длина этого участка с учетом уравнений (28) и (20) соответственно равна 1„ = 164,5 мм.

Коэффициент формы второй (выпуклой) части эаходной ступени определяется иэ формулы (6) и равен К = 0,455 а ее длина с учетом выражения (29) и (20) равна 1z = 95 мм.

Общая длина утоненного переднего конца оправки равна

L = 1 + 1 = 260 мм.

Заходную ступень оправки изготавливают по шаблону (см. таблицу).

Для оценки экономической эффективности выбрано устройство для протяжки труб через калибры, содержащее оправку с утоненным передним концом.

Применение на оправках утоненного переднего конца предлагаемого размера!

1409357 и форьы позволяет в t,2-1,5 раза увеличить обжатие при изготовлении труб методом проталкивания через калибры, а также снизить расход металла на иэ5 готовление труб эа счет снижения донной обрези в 1,t раза.

Ф о р м ул а и з о б р е т е н и я

Инструмент для изготовления труб проталкиванием, содержащий калибр и ступенчатую оправку с утоненным передним концом, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью сокращения расхода металла на донную обреэь, образующая поверхность переднего утоненного конца оправки выполнена по

А

d х

Ь d

0 0,77 302

dq

О, 1 0,78 304,9 20,8

0,2 0,79 308,2 41,6

42,5

i 1+ (1 !

L = 208,2

40,9

0,3 0,8 312 62,4

0,4 0,81 316,7 83,2

0,5 0,83 322,4 104,0

0,6 0,84 329,5 124,8

0,7 0,87 338,5 !45,6

К, = 0,79 0,89 349 164,5

36,7

33,8

30,2

25,7

20,5

0,454 0,89 349

К

164,5

20,5

0,5 .0,9 352,8 172,3

0,6 0,93 361,1 189,8

0,7 0,95 368,9 207,2

0,8 0,86 376,3 224,6

0,9 0,98 383,3 242

1,0 1,00 390 259,4

18,6

? = 174,2

14,5

10,6

6,8

3,2

Уравнение формы боковой поверх ности заходной ступени кривой на длине, определяемой зависимостью:

У

t — К(! — -«.)

<1« где L — длина утоненного переднего конца оправки с диаметром на торце d<, Т вЂ” зазор между калибром, имеющим диаметр D, и рабочей ступенью оправки, имеющей диаметр

К вЂ” коэффициент формы переднего конца при отношении

1409357

Составитель А.Толмачев

Текред JI, Îëèéíb ê Корректор А.Обручар

Редактор M.Håäîëóæåíêo

Заказ 3438/11

Тираж 467

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская нао., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород. ул. Проектная, 4