Способ обжатия труб

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а точнее к способам калибровки концов труб роликовым инструментом . Цель изобретения - повышение производительности за счет увеличения обжатий трубы по наружному диаметру за оборот . Способ обработки труб включает обжатие их концевых участков неприводными роликами с определенными радиальными погонными условиями на один ролик, определяемыми приведенными математическими зависимостями. Количество роликов также определяется по приведенной зависимости . При применении данного способа обжатия труб снижается; брак. 7 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s В 21 0 41/04

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4625989/27 (22) 26.12.88 (46) 15.05.91. Бюл. М 18 (72) В. М. Друян, В. В. Перчаник, В. И. Плохой,А.В. Губи нский, Э.М.Липовецкий, П.M.

Финагин,Л.Н.Горячев,А.И.Толпин,И.З.Шифрин и И.Б.Лейбман (53) 621.774.72(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЬЬ 1389899, кл. В 21 О 41/04, 24.10.86. (54) СПОСОБ ОБЖАТИЯ ТРУБ (57) Изобретение относится к обработке металлов давлением, а точнее к способам каИзобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к производству тонкостенных труб нефтяного сортамента.

Цель изобретения — повышение производительности эа счет увеличения обжатий трубы по наружному диаметру за один оборот.

На фиг. 1 изображена схема обкатки концевого участка трубы холостыми валками; на фиг. 2 — схема приложения сил; на фиг. 3 — физическая модель процесса; на фиг. 4 — эпюра распределения величины изгибающего момента по периметру заготовки; на фиг. 5 — эпюра распределения величины тангенциальной силы; на фиг. 6— стадии работы характерных сечений заготовки; на фиг. 7- расчетная схема к опреде» Ы 1648606 А1 либровки концов труб роликовым инструментом. Цель изобретения — повышение производительности эа счет увеличения обжатий трубы по наружному диаметру эа оборот. Способ обработки труб включает обжатие их концевых участков неприводными роликами с определенными радиальными погонными условиями на один ролик, определяемыми приведенными математическими зависимостями. Количество роликов также определяется по приведенной зависимости. При применении данного способа обжатия труб снижаетс| брак. 7 ил. лению радиусов кривизны средней линии заготовки. м

Обработка труб осуществл|. тся следующим образом.

Труба 1, перемещаясь, вэаимодейству- Ос, ет с роликами 2, которые расположены в ф кассете 3. Ролики 2 являются холостыми. С помощью губок 4 осуцествляют зажим трубы 1. Кассету 3 вращают и перемещают в осевом направлений, производя обкатку конца трубы 1. После окончания обкатки кассета 3 возвращается в исходное положение, и губки 4 освобождают трубу 1.

Обкатку концевого участка трубы осу- а ществляют с обжатием Р, находящимся в интервале Рмин Р Рилакс, рассчитанных по формулам

1648606

Р„,= — 6 Ы вЂ” D ——

2% rL и

l1 где Р— наружный диаметр трубы, мм; при этом оптимальное количество деформи$ — толщина стенки трубы, мм; рующих роликов определяется с округленио - предел текучести металла трубы, Па, ем в большую сторону иэ выражения

10 — ью пф- 4

Й

+» — ó kin

«» Х

»

+ л

Я9Г к 5ifl ——

"Ф вЂ” сй — = 0

% х

rta (3) Р „; — с1 -„) у . (5)

51) fn, (6) где у — расстояние от нейтральной линии сечения.

Суммарная эпюра нормальных напряжений от момента и тангенциальной силы в упругой стадии работы сечений 1 представВажнейшим показателем, определяющим основные параметры процесса обжатия, является режим частных деформаций, т.е. деформаций трубы за оборот. Величина 25 деформации при калибровании определяется усилиями, прикладываемыми к наружной поверхности трубы. Величина этих усилий ограничена условиями устойчивого. протекания процесса без разрушения трубы и 30 . искажения профиля ее поперечного сечения. Для определения оптимальных условий нагружения трубы рассмотрим кольцо единичной ширины с наружным диаметром 0 и толщиной стенки S, соответствующими ре- 35 альной трубе. Принимают, что кольцо нагружено системой точечно приложенных сил, расположенных с равным шагом по периметру кольца (фиг, 2). Материал кольца считают упругопластическим. 40

При нагружении кольца по принятой схеме в каждом его поперечном сечении возникают следующие силовые факторы (фиг. 3): изгибающий момент

Х sic -г тангенциальная сжимающая сила

% „ р) радиальная перерезывающая сила . 50 р )tA. ()g У)

gs è. где P — радиальная сжимающая сила;

n — количество приложенных сил (роликов): 55 а - текущий угол.

Поскольку кольцо является тонким, т.е. размеры поперечного сечения его малы по сравнению с диаметром (для тонкостенных труб нефтяного сортамента), и деформации сдвига, на которых производит работу перерезывающая сила, тоже очень малы, то в дальнейшем влиянием силы Т можно пренебречь.

Анализ эпюр распределения изгибающего момента М и тангенциальной силы N по периметру кольца (фиг. 4, 5) позволяет выделить три типа характерных сечений, в которых действуют экстремальные значения этих силовых факторов: сечения I, в которых приложены силы (зоны контактных деформаций), положение этих сечений определяется угловой координатой р1 =0; сечения 2 (зоны внеконтактных деформаций), положение которых определяется координатой,„Я .

-"2 и. сечения 3 (зоны внеконтактных деформаций), положение таких сечений определяется условием (р = — — arcm / — бж-/ -() а Х a/

В сечениях 1 действуют нормальные напряжения о от изгибающего момента и сжимающие напряжения os, созданные тангенциальной силой. Величины этих напряжений определяются выражениями

1648606

B предельном случае напряженное сост ояние сечения кольца описывается эпю- — 1г рой в виде двух прямоугольников (фиг. 6 — г) — образуется так называемый пластический

5 шарнир. В этом случае высота упругой эоны равна нулю, т.е.

9 1 бй, 5 « „„O

Решая это уравнение с учетом (1) и (6), получают предельную нагрузку в сечениях

1, р„=--, ;. (о(,"-м -, - ф ф- " 7 а* ь t (»)

В сечениях 2 действуют отрицательный изгибающий момент, вызывающий растяжение наружных и сжатие внутренних волокон, и тангенциальная сила, вызывающая напряжение сжатия по всему сечению. Характер работы этих сечений аналогичен.

Эпюры напряженного состояния предl ставлены на фиг. 6 — 2. Нормальные напряжения от момента и тангенциальной силы опоеделяются выражениями б„, = — Р(ф- )у: (3l) р б = — —.-- )- (12)

2S Ул z

gp Величина силы, вызывающая напряжение текучести на наиболее нагруженных волокнах сечений 2

2 S

»P ).W "

)ГГ з„) б 4

Т I б 3 бт \ М а;1 ьГ йТ Ж и

2(о,, 4(+! У6

S (б

Й, (, б ) Яа < (6irq) 9 а 3 g 64 ЗИа

Предельная нагрузка в этом сечении оп- 55 ределяется уравнением

Р 2 б, 5 п 3 +

2 Г q 4 при= л . ж „-„.Г (!5 ) лена на фиг. 6 — 1а. На наружных волокнах, для которых у= S/2, знаки о«и сто совпадают (оба напряжения сжимающие) и величина результирующего напряжения

° определяется уравнением

a = s б .- (— -(-": — сб ",)+ 1у — 1

Увеличение силы P приводит к росту момента и тангенциальной силы N, следовательно, к росту напряжений в сечениях. При некотором значении силы Р на наиболее нагруженных наружных волокнах сечений величина результирующих напряжений достигает предела текучести д (фиг. 6-16).

Такое значение силы определяется из выра2б У зря - йд я- .pg9 (8) Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению пластической области в сжатой зоне сечений и ее росту. При этом напряжения в растянутой зоне стремятся к пределу текучести и достигают его. С этого момента в сечениях существуют две области пластичности, разделенные упругой областью(фиг. 6 — 1a ).

Соотношение между размерами пластических и упругой областей определяется известной системой уравнений (2) Система уравнения (9) можетбыть записана в виде

1648606

Образование семейства пластических шарниров с одинаковыми кинематически возможными перемещениями не исчерпывает несущей способности статически неопределимой системы — кольца, так как перемещения в шарнирах ограничены действием упругих участков и, следовательно, возможно дальнейшее увеличение активных сил P.

Повышение Усилий до величины Рпр2>

>Рпр1 пРивоДит к обРазованию пластических шарниров в сечениях 2. В этих шарнирах кинематически возможны перемещения в направлениях разгрузки. В результате образования двух семейств пластических шарниров с различными кинематически возможными перемещениями кольцо (конец трубы) превращается в кинематически подвижную систему с большим числом степеней свободы, что приводит к образованию гранен ности по периметру.

Следовательно, максимальные радиальные погонные усилия не должны превышать величины Рпр2 т.е,:

Необходимым условием потери устойчивости при калибровании, является образование двух семейств пластических шарниров с различными направлениями кинематически возможных перемещений.

Анализ условий образования шарниров и зависимости предельных нагрузок от количества деформирующих роликов (фиг. 7) показывает, что устойчивость процесса калибрования определяется силовыми условиями в зонах внеконтактных деформаций (сечения 2) и может быть обеспечена схемой 50 " а м

1 п =

2Х и л.

В сечениях 3 действует только тангенциальная сжимающая сила, создающая однородное состояние линейного сжатия (фиг.

6 — За). Предельным для таких сечений будет состояние,при котором напряжения сыч до- 5 стигают предела текучести (фиг. 6 — 36). Усилие, вызывающее такое состояние, определяется уравнением

Рпрф = аб л 06) 10

Сравнение выражений (10), (15) и (16) показывает, что при любом числе деформиРУющих Роликов и Рпрз > Рпр2 >Рпр1.

Следовательно, состояние пластических 15 шарниров в сечениях 1 и 2 будет достигнуто при более низких нагрузках, чем состояние пластического сжатия в сечениях 3.

Из приведенного анализа напряженного состояния следует, что вначале образуют- 20 ся пластические шарниры в сечениях 1 (при усилиях Рпр1), Кинематически возможными в этих сечениях являются перемещения только в направлении действия нагрузки. лт

Из анализа приведенных эпюр напряженного состояния при калибровании сле- 30 дует, что минимальная нагрузка, при которой начинается процесс пластического уменьшения периметра, должна вызывать на средней линии сечений 2 суммарные наP = — r Чп — 1Я вЂ” - + . 23Г и иин — т и —,-„у пряжения, равные пределу текучести. Величина этой нагрузки может быть определена из второго уравнения системы (14) при условии f2/S=1/2. Тогда минимальные радиальные погонные усилия на один ролик должны быть не менее нагружения, т.е. количеством деформирующих роликов. Очевидно, что наибольшую устойчивость обеспечивает схема нагружения, соответствующая максимуму

КРИВОЙ Рпр2 (фИГ. 7). ТОГДа НЕОбХОДИМОЕ КОличество роликов можно определить иэ условия

После дифференцирования получают уравнение для определения оптимального количества деформирующих роликов

1648606 ром 146 х 7,7 мм из стали группы прочности

D, По формулам определяют величину радиальных погонных усилий на один ролик и оптимальное количество роликов.

Па; при этом количество деформирую цих рогиков определяется из выражения у 5 >7 "r7 2п 3 . 2g — м и — — -" -=-= — -- ==.== =- -. 5 л

У и (,, - „/ У It u где и — количество деформирующих роликов с округлением в большую сторону.

При выборе количеств деформирующих роликов из этого уравнения используется следующий подход.

7аК как функция Рпрф=-f (n) имеет экстремум то, следовательно, производная этой 5 функции dP/dn будет менять знак. Причем Величина радиальных погонных усилий увеличение количества роликов по восходя- на один ролик для укаэанного диаметра трущей ветви графика функции бы составляет 1,25 — 1,31 н/мм, а величина

Ppp2=f(n)(dP / dn>0) ведет к увеличению зна- относительной деформации трубы за обочений Р„р, т.е. к повышению устойчивости 10 рот находится в пределах 1,2-1,5;6. Количе-. поперечного сечения обрабатываемой тру- ство деформирующих роликов должно быть бы, а на нисходящей ветви (dp/бп >О) — к равно 6, При этих условиях процесс калибснижению устойчивости профиля. Так как рования осуществляется устойчиво, без обколичество роликов должно обеспечивать разования граненности. максимальную устойчивость трубы, то в ка- Предлагаемый способ обработки труб честве числа роликов, выбирают дающее на- позволяет повысить производительность, иболее близкое к нулю значение уравнения. снизить при этом брак труб по резьбе на

Например, для труб 245 х 10 при п=8 значе- 2 — 3, брак по задирам и рискам на инструние уравнения для оптимального количест- менте на 0,1 — 0,3, а также увеличить обьем ва роликов равно 0,0001136065, а при n=10 20 выпуска и расширить сортамент обсадных это значение составляет минус труб с упрочненными концами.

0,0001922250. Поэтому за оптимальное зна- Формула изобретения чение принимается п=8, Для трубы 146 х 7 Способ обжатия труб путем обкатки их при n=6 значение уравнения равно концевых участков неприводными ролика0,0000868432, а при п=8 минус 25 ми, отл и ча ю щий ся тем, что,с целью

0,0001621188. Поэтому оптимальное значе- повышения производительности, обжатие ние п=6. осуществляют с радиальными погонными

Пример. Обработке предлагаемым усилиями на один ролик, находящимися в способом подвергают партию труб разме- пределах от ион п ((P;,д) х,»ф >in

l> п до

qgrf /i> g 1 !6(>1 < l 5 н аС Д Я >1 > -- 1»> "-/ М 1 )

И -> " Л i где Рмин и р о,кс — нижний и верхний пре- . сг — предел текУчести материала трубы, делы величины усилия,н/мм:

0 — наружный диаметр трубы, мм;

S — толщина стенки трубы, мм;

1648606

1648606

1648606

-б -бт

-бт

-6 т м nr б;,-6„, — 6 т юг. б

1648606 нее 1

Составитель С.Евсюков ехред M Моргентал Корректор М Пожо

Редактор И.Касарда

Тираж 501 Подписное

Заказ 1482 м и отк ытиям при ГКНТ СССР

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, . р д, у .

° Ф

" г. Ужго о, л.Гагарина, 101