Способ правки тонкостенных труби устройство для его осуществления

 

О П И С А Н И Е «ii 804074

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскии

Социалистических

Республик

Ж

i (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 10.01.79 (21) 2711483/25-27 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет

Опубликовано 15.02.81. Бюллетень № 6

Дата опубликования описания 20.02.81 (51) М. Кл.з

В 21 D 3/12

Гооударотееииый комитет

СССР ао делам изобретений и открытий (53) УДК 621.982 (088.8) (72) Авторы изобретения

Б. Д. Зеленков, И. А. Каретников, И. И. Корнилов и В..Я(,ПоПо женко fh Я@ е

""М, ., " ЭГ „ (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПРАВКИ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ И УСТРОИСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при правке тонкостенных труб.

Известны способы правки труб, в которых для устранения продольной кривизны, овальности и других искажений формы и размеров трубу последовательно или одновременно растягивают в радиальном и осевом направлениях. Калибровочный инструмент, выполненный в виде оправки, охватывает трубу снаружи или расположен внутри нее и изготовлен из материала, коэффициент линейного расширения которого отличается от коэффициента линейного расширения материала трубы (1).

Однако такие способы и устройства имеют недостатки, заключающиеся в том, что не в полной мере устраняют продольный изгиб труб, не исключают возможности образования дефектов и весьма трудоемки в части изготовления калибрующего инструмента.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ правки тонкостенных труб заключающийся в кабровке труб растяжением в осевом и радиальном направлениях при нагреве и охлаждении, а устройство содержит источник нагрева, размещенную внутри труоы оправку, выполненную из материала, имеющего коэффициент линейного расширения больший, чем у материала трубы, и контактирующие с ней по торцам и скрепленные с трубой упоры (2).

Однако такой способ правки труб и устройство для его осуществления обладают рядом недостатков. Во-первых, данный способ не исключает возможности локального утончения стенки труб и образования разнотолщинности, поскольку калибровка начинается продольным растяжением и при отсутствии внутреннего подпора стенки. Отмеченйый дефект особенно заметно проявляется при калибровке холоднокатанных труб, имеющих в силу особенностей структурного состояния повышенную склонность с сосредоточенному сужению. Во-вторых, качество и производительность правки по такому способу являются пониженными в виду того, что растяжение труб, ускоряющее выравнивание внутренних напряжений, ответственных за совершенство формы и геометрических размеров трубы, проводится лишь на стадии нагрева. В третьих, известное устройсгво не может обеспечить вы804074

5 о

3 сокое качество калибровки при правке труб в широком диапазоне размеров по толщине стенки, так как не позволяет варьировать величиной осевого растягивающего усилия и направлением растяжения в начальной стадии процесса правки.

Цель изобретения — повышение качества правки и расширение диапазона обрабатываемых размеров холоднокатанных труб.

Поставленная цель достигается тем, что при нагреве трубу первоначально растягивают в радиальном направлении до достижения значений тангенциальных напряжений, равных 0,01 — 0,1 от предела текучести материала трубы, а затем одновременно растягивают в радиальном и осевом направлениях, а при охлаждении трубы выполняют осевое растяжение, при этом величины осевого растяжения при нагреве и охлаждении регулируют.

Калибровка с растяжением в радиальном направлении исключает возможность локального утончения стенки за счет того, что при радиальном растяжении увеличивается разрыв между сопротивлением металла деформированию и изменяющими размеры трубы напряжениями, поскольку создается такое направление действия напряжений, которое в холоднокатанных трубах (в виду анизотропии свойств) совпадает с направлением наибольшего значения сопротивления металла деформированию. Кроме того, к моменту, когда растяжение в радиальном направлении дополняют осевым растяжением, успевают осуществить подпор стенки трубы изнутри, выправить продольную кривизну и выравнить пластические характеристики металла трубы в тангенциальном и осевом направлениях. Создание внутреннего подпора обеспечивает калибровку сечения и исключает при осевом растяжении редуцирование по диаметру. Устранение кривизны происходит за счет поперечного изгиба, который предопределяет снижение трудоемкости и повышение качества правки при последующем продольном растяжении. И, наконец, снижение анизотропии пластических характеристик (вследствие повышения температуры и проходящих при этом возврате или рекристаллизации металла) предопределяет равномерность изменения размеров в разных направлениях, а, следовательно, уменьшает или исключает вероятность локализации деформации, что очень важно, поскольку на стадии повышения температуры величины сопротивления металла деформированию и наведенных напряжений сближаются (уровень сопротивления металла деформированию снижается, а величина наведенных напряжений увеличивается), а на стадии охлаждения сборки осевое растяжение осуществляют. при отсутствии внутреннего подпора. Интервал принятых значений тангенци альных напряжела

25 0

4 ний (0,01 — 0,1 от предела текучести материала трубы)учитывает (при анизотропном состоянии материала трубы) соотношение сопротивлений металла деформированию в тангенциальном и осевом направлениях и создает условия, обеспечивающие в трубе равномерное напряженное состояние, исключающее локализацию деформации. При этом, уменьшение нижнего значения напряжений не гарантирует полного контакта оправки с трубой, а увеличение верхнего— ухудшает условия перемещения трубы по оправке и требует подбора специальных смазок.

Регулировкой величины осевого растягивающего усилия расширяют сортамент обрабатываемых труб и повышают степень совершенства их формы и геометрических размеров. Это достигается тем, что величину осевого растягивающего усилия устанавливают в зависимости от толщины стенки калибруемой трубы для того, чтобы предотвратить достижение равенства значений сопротивления металла деформированию и наведенных в трубе напряжений, и тем самым исключить хотя и равномерное, но значительное по величине пластическое формоизменение.

Растяжение трубы при охлаждении обеспечивает повышение качества и производительности процесса правки. Последнее обусловлено возможностью сокращения продолжительности изотермической стадии процесса, поскольку выравнивание и редаксацию внутренних напряжений осуществляЮт и на заключительном этапе обработки.

Устройство для осуществления предлагаемого способа правки тонкостенных труб, содержащее источник нагрева, размещенную внутри трубы основную оправку, выполненную из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала трубы, и контактирующие с ней rio торцам и соединенные с трубой упоры, снабжено размещенной между источником нагрева и трубой дополнительной оправкой, выполненной в виде двух поперечин, стянутых тягами из материала с коэффициентом линейного растяжения меньшим, чем у материала трубы, а также механизмом регулировки ее продольного перемещения и механизмом регулировки зазора, при этом одна из поперечин дополнительной оправки через механизм регулировки продольного перемещения связана с одним из упоров основной оправки, а другая через механизм регулировки зазора — с другим упором основной оправки, Кроме того, упоры выполнены в виде зажимов с клиновыми губками.

На чертеже показана конструкция предлагаемого устройства.

Устройство для правки тонкостенных труб содержит оправку 1, выполненную в

5 виде цилиндрического стержня, снабженного на одном торце пятой 2, контактирующей по образующей конуса с гнездом упора 3. Упор 3 выполнен по типу захвата с клиновым зажимом и имеет регулировочный механизм, винт 4 которого расположен по оси упора и скреплен с ним, а гайка 5 установлена в поперечине 6 дополнительной оправки. Поперечина 6 неподвижно соединена тягами 7 со второй торцовой поверхностью поперечины 8, снабженной замковым механизмом 9 и имеющей сквозные отверстия для прохода соединительного элемента 10, закрепленного одним концом в упоре 11. Упор 11 выполнен, как и упор 3, по типу захватов с клиновым зажимом и с регулировочным механизмом, винт 12 которого размещен в резьбовом отверстии в центре упора 11 и имеет осевой канал, поверхность которого контактирует с направляющим стержнем 13, закрепленным одним концом в оправке 1. Кроме того, устройство содержит источник 14 тепла, размещенный с возможностью нагрева всех перечисленных элементов устройства и трубы.

Оправка 1 выполняет функции энергоносителя и калибрующего трубу инструмента.

В связи с этим оправку 1 изготавливают из материала, коэффициент линейного расширения которого больше, чем у материала трубы 18, а материал трубы 18 имеет коэффициент линейного расширения, в свою очередь, больший, чем тяга 7. В качестве материала для изготовления оправки 1 могут быть использованы, например, аустенитные стали Х18Н10Т и другие. Оправка может быть изготовлена полиметаллической с продольным или поперечным расположением слоев разнородных металлов. Многослойная полиметаллическая оправка позволяет изменять интенсивность и величину осевого и радиального растягивающих усилий. Для облегчения веса можно изготовить оправку

1 пустотелой. Размеры оправки выбирают применительно к заданным размерам готовой трубы. Оправка при сборке должна сво- бодно входить в трубу, а при максимальной температуре процесса правки создавать в ней напряжения в пределах (0,2 — 1,0)6 материала трубы.

Коническая пята 2 и направляющий стержень 13 обеспечивают установку упоров 3 и 11 и сопряженных с ними поперечин 6 и 8 соосно с оправкой 1.

Упоры 3 и 11 используют в качестве зажимающих концы трубы механизмов. Для этого упоры снабжены винтом 15, гайкой

16 с зажимным участком конической формы и разрезными вкладышами 17, а зажимной участок упора выполнен коническим. Упоры 3 и 11 изготавливают из материала, имеющего коэффициент линейного расширения не больший, чем у материала трубы, а-вкладыши 17 — из материала, имеющего коэффициент линейного расширения боль804074

3о Для осуществления процесса правки трубу развальцовывают по концам и надевают на оправку 1 с пятой 2 и направляющим стержнем 13. Полученную сборку размещают в упор 3 таким образом, что пята 2 входит в гнездо упора 3, а развальцованэ -ный конец трубы располагается на его зажимной части. Поворотом винта 15 перемещают гайку 16, которая коническим участком через вкладыш 17 зажимает конец трубы в упоре 3. Затем на свободный конец оправки 1 устанавливают упор 11, подводя зажим ной участок упора под развальцованный конец трубы и пропуская направляющий стержень 13 через отверстие в винте

12. Вращением винта 15 зажимают трубу в упоре 11. После этого вращением винта

° 12 устанавливают по нанесенной на направляющем стержне 13 шкале заданную величину зазора между торцом оправки 1 и упорной поверхностью винта 12. При осуществлении способа правки без растяжения трубы при охлаждении сборку (оправка 1, упоры

3 и 11, труба 18) размещают внутри источника 14 тепла и проводят процесс правки.

При осуществлении способа с растяжением трубы при охлаждении после установИ ки заданной величины зазора сборку (оправка, упоры и труба) размещают в дополнительной оправке. Для этого. к упору 3 с помощью винта 4 и гайки 5 присоединяют

5 е

15 зе м ший, чем у материала упора. Последнее увеличивает усилие зажатия конца трубы с повышением температуры.

Дополнительная оправка — это совокупность поперечин 6 и 8 и соединительных тяг 7, выполненных в виде цилиндрических стержней, изготовленных из материала, имеющего коэффициент линейного расширений меньший, чем у материала трубы. При этом, величина осевого растягивающего усилия при охлаждении увеличивается. С целью изменения интенсивности нагружения в процессе охлаждения тяги могут быть изготовлены полиметаллическими. Описанное исполнение дополнительной оправки не является единственно возможным. Например, соединение поперечин 6 и 8 может быть выполнено с использованием трубчатого элемента взамен тяг. Наряду с этим тяги могут быть заменены цилиндрическим стержнем, скрепленным со щеками и расположенным внутри основной оправки и коаксиально с ней.

Замковый механизм 9 служит для скрепления через соединительный элемент упора

11 с поперечиной 8 и выполнен, например, по типу храпового механизма, срабатывающего с началом охлаждения.

Источником 14 тепла могут быть различного типа нагревательные устройства, и, в частности, вакуумные электрические печи.

804074 на заданном расстоянии от упора 3 поперечину 6, предварительно скрепленную с тягами 7. Затем поперечину 8 надевают на соединительные элементы 10 и свободные концы тяг 7, а последние прикрепляют к поперечине 8. Полученную сборку размещают внутри источника 14 тепла и осуществляют процесс правки.

При правке устройство работает следующим образом.

Нагрев изменяет размеры всех деталей устройства и трубы. На начальной стадии процесса оправки 1 с большим, чем у трубы коэффициентом линейногс расширения, увеличиваясь по диаметру, достигает в некоторых местах внутренней поверхности трубы и воздействует на них. При этом реализуется схема правки поперечным изгибом, так как места контакта располагаются по длине оправки поочередно на диаметрально противоположных ее сторонах, в частности, при однозначной кривизне труб оправка начинает касаться трубы по концам и в средней части, а направление действия сил в средней части трубы противоположно направлению действия сил на периферийных участках) .

Дальнейшее увеличение диаметра оправки 1, происходящее с повышением температуры, выпрямляет трубу, осуществляет контакт оправки с трубой по всей поверхности и создает в выправляемой трубе напряжения.

До наступления этого момента оправка 1 беспрепятственно увеличивает размеры в осевом направлении, и ее торец с направляющим стержнем 13 приближается к упорной поверхности винта 12. По достижении в выправляемой трубе заданных величин напряжений (от радиального давления) торцы оправки вступают в контакт с винтом 12, а при последующем приращении длины оправка 1 оказывает давление на упоры 3 и 11 и через них — на трубу, вызывая растяжение последней в осевом направлении. В виду того, что тяги 7 выполнены из материала с коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у материала выправляемой трубы и оправки 1, соединительный элемент 10 смещается относительно поперечины 8 вдоль замкового механизма 9.

На последующей стадии процесса (изотермической выдержке) размеры всех элементов устройства остаются постоянными.

Вместе с этим не изменяются и величины давлений (радиального и осевого) от оправки 1 на трубу, приводящие к выравниванию и релаксации внутренних напряжений по длине и периметру трубы.

И, наконец, на стадии охлаждения размеры элементов устройства уменьшаются. При этом вначале разрывается контакт оправки 1 с винтом 12, а затем — с внутренней поверхностью трубы. Пос пе прекращения контакта оправки 1 с винтом 12 сокращается длина выправляемой трубы, а вместе с этим смещается упор 11 и скрепленный с ним соединительный элемент 10. Смещение соед нительного элемента 10 в направлении, обратном предшествовавшему, включает замковое устройство 9, Последнее может срабатывать сразу же после прекращения контакта оправки 1 с винтом 12 или же на любой другой стадии охлаждения. Момент срабатывания определяется конструкцией замкового механизма и величиной зазора между поперечиной 6 и упором 3, После срабатывания замкового механизма 9 соединительный элемент 10, установленный одним концом в упоре 11, скрепляется поперечиной 8, а через нее — с тягами 7 и поперечиной 6, соединенной с упором 3. Таким образом, свободное изменение размеров трубы, зажатой между упорами 3 и ll, становится невЬзможным., и укорочение длины происходит вместе с уменьшением длины тяг 7, в трубе возникают осевые растягивающие усилия, которые уменьшаются пропорционально уменьшению температуры.

При охлаждении сборку извлекают из нагревательного устройства 14 и трубу снимают с правильного устройства. При этом соблюдают следующую последовательность операций. Выключают замковый механизм 9 и освобождают соединительный элемент 10 от поперечины 8. Поперечину 8 отсоединяют от тяг 7 и снимают с них и с соединительного элемента 10. Свинчивают гайку 5 с винта 4 и отсоединяют поперечину 6 от упора 3.

Вращением винта 15 сдвигают гайку 16, вынимают вкладыши 17 и освобождают концы трубы 18. Затем удаляют упоры 3 и 11 и трубу снимают с оправки 1.

Пример. Осуществляется правка труб размером 25,1 Х 23,7 мм длиной 600 мм из сплава, содержащего ниобий с 1% циркония. Трубы изготавливаются холодной прокаткой с суммарной деформацией 90—

95% без промежуточных отжигов. Перед правкой отклонения размеров труб по наружному диаметру составляли 0,01 — 0,09 мм, а кривизна 0,15 — 0,20 мм на длине трубы.

Для правки используется устройство, в котором оправку 1 изготавливают из стали

Х18Н10Т диам ом 23,5 — 0,02 мм, длиной

6000 мм при кривизне продольной оси менее

0,03 мм. Пруток стали Х18Н10Т перед изготовлением оправки отжигают при 1200 С в течение 4 ч. Размер диаметра оправки выбирают по расчету из условия приращения диаметра трубы при температуре изотермической выдержки на 0,1 — 0,15 мм. Упоры 3 и 11 с винтами 15 и гайками 16, а также пяту 2 и. винт 12 выполняют из молибденового сплава марки BM-1 (с в = 5,5х10 град.), а вкладыш 17 — из стали Х18Н10Т, Во из804074

Формула изобретения

9 бежание сцепления трубы с оправкой 1 при нагреве поверхность последней оксидируют в расплаве солей KNO > (60 /0) + NANO 3 (40О/о). Суспензию винта 15 с гайкой 16 и упора 11 с винтом 12 предотвращают нанесением на их поверхность слоя коллоиднографитового препарата марки ЭДП-В. Концы выпрямляемой трубы развальцовывают на конус с углом при вершине 30 раскаткой на токарном станке. Для этого трубу устанавливают в патроне станка в разрезной втулке, а формующий инструмент закрепля- 10 ют в резцедержателе.

После указанной подготовки элементов устройства и трубы оправку 1 с пятой 2 и направляющим стержнем 13 устанавливают пятои 2 в гнездо упора 3 и на оправку 1

О надевают выправляемую трубу. Развальцованный конец трубы зажимают между зажимным участком упора 3 и вкладышем 17 вращением винта 15 . При этом гайку 16 придерживают рукой, а винт 15 вращают 2о торцовым ключом, входящим в пазы в хвостовой части винта 15. После этого на свободный конец оправки 1 устанавливают упор 11 и также, как и на упоре 3, производят зажатие конца трубы. Вращением винта 12 устанавливают зазор между торцом оправки 1 и упорной поверхностью винта 12. Ве личина зазора составляет 4,2 мм, что, согласно расчетным данным, обеспечивает вначале контакт поверхности оправки с трубой 18, а затем — растяжение трубы в осевом на- gy правлении. Нагрев осуществляют в вакуумной электрической печи сопротивления типа

СШВЛ при остаточном давлении 1 X 10 5 мм рт. ст. Температура нагрева составляет

1100 С. Скорость подъема температуры и охлаждения находится в пределах 15—

25 град./мин, время выдержки по достижении максимальной температуры нагрева равняется 1 ч. Процесс заканчивают после полного охлаждения печи выгрузкой сборки и снятием трубы с оправки. Выправленные трубы контролируют. Контроль состояния поверхности труб проводят визуальным осмотром, а геометрические размеры (наружный диаметр и толщину стенки) микрометром и с использованием инструментального микроскопа, прямолинейность — щупом на контрольной плите. Наряду с этим ряд труб разрезают вдоль образующей для тщательного замера стенки трубы. Как показали проведенные замеры, после правки труб отклонения наружного диаметра от номинального (25,1 мм) находятся в пределах

0 — 0,04,.мм, по толщине стенки, не превышают 0,03 мм, а кривизна труб — менее

0,05 мм. На поверхности труб не обнаружено дефектов типа рисок, задиров и царапин.

1. Способ правки тонкостенных труб, заключающийся в калибровке трубы растяжением в осевом и радиальном направлениях при нагреве и охлаждении, отличающийся тем, что, с целью повышения качества правки и расширения диапазона размеров холоднокатанных труб, при нагреве трубу первоначально растягивают в радиальном направлении до достижения значений тангенциальных напряжений, равных 0,01 — 0,1 от предела текучести материала трубы, а затем одновременно растягивают в радиальном и осевом направлениях, а при охлаждении трубы выполняют осевое растяжение, при этом величины осевого растяжения при нагреве и охлаждении регулируют.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее источник нагрева, размещенную внутри трубы основную оправку, выполненную из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала трубы, и контактирующие с ней по торцам и соединенные с трубой упоры, отличающееся тем, что оно снабжено размещенной между источником нагрева и трубой дополнительной оправкой, выполненной в виде двух поперечин, стянутых тягами из материала с коэффициентом линейного растяжения меньшим, чем у материала трубы, а,также механизмом регулировки ее продольного перемещения и механизмом регулировки зазора, при этом одна из поперечин дополнительной оправки через механизм регулировки продольного перемещения связана с одним из упоров основной оправки, а другая через механизм регулировки зазора — с другим упором основной оправки.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что упоры выполнены в виде зажимов с клиновыми губками.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 456705, кл. В 21 D 3/12, 1972.

2. Патент США № 3986654, кл. 228-155, 1976 (прототип) .

804074

Составитель И. Финогеев

Редактор С. Тимохина Техред А. Бойкас Корректор Н. Степ

Заказ 10351/10 Тираж 899 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4