СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ Российский патент 1994 года по МПК B21C3/08 B21C1/24 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а точнее к производству тонкостенных труб.

Известен способ волочения труб, заключающийся в деформации труб на оправке обжимной головкой, состоящей из тел качения [1].

Недостатком этого способа является то, что деформация и скорость волочения в одной обжимной головке ограничиваются рядом факторов, в частности энергетическим.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ производства тонкостенных труб [2], согласно которому деформацию полой заготовки на оправке осуществляют рядом последовательно расположенных вращающихся головок с телами качения, представляющих планетарные шариковые волоки, расположенные последовательно с уменьшающимся по ходу деформируемой трубы внутренним диаметром (калибром).

Недостаток этого способа заключается в том, что при произвольном распределении обжатия в каждом очаге деформации один из очагов оказывается перегруженным, что приводит к чрезмерному перегреву металла. В то же время эксперимент показывает, что производительность процесса ограничивается разогревом металла в локальном очаге деформации, так как для металлов существует зона синеломкости, т.е. пониженной пластичности при температурах t= 300-500^оС. Создание интенсивного охлаждения не решает задачи, так как имеется определенное предельное значение коэффициента теплопередачи от нагретой поверхности металла к жидкости.

Техническим результатом изобретения является обеспечение условия равенства нагрева металла в каждом очаге деформации, повышение производительности процесса и качества получаемых изделий.

Это достигается тем, что в способе производства тонкостенных труб, включающем деформацию полой заготовки на оправке рядом последовательно расположенных вращающихся головок с телами качения, согласно изобретению процесс ведут с постоянным отношением удельных энергий по очагам деформации, определяемым зависимостью : = 0,85-1,15 , варьируя обжатие стенки в каждом очаге деформации, где K_s1, K_si - сопротивление деформации металла с учетом наклепа в 1-ом, i-ом ряду; Δ₁,Δ_i - обжатие изделия по стенке в 1-ом, i-ом ряду; h_ср1, h_срi - средняя толщина стенки на входе в 1-ый, i-ый ряд тел качения.

Такое выполнение способа обеспечивает условие равенства нагрева металла в каждом очаге деформации и, следовательно, является оптимальным с точки зрения производительности и качества изделий. Действительно, работа, затрачиваемая на деформацию в единицу времени, определяется как N=M_кр ˙n, где M_кр - момент прокатки; n - число оборотов вращающегося ряда тел качения, об/мин или 1/с. Поскольку секундный объем металла, проходящий через каждый ряд тел качения одинаков, то условие равномерного распределения нагрева по всем очагам деформации может быть записано как N₁=N₂= ... N_i (1), а при постоянстве оборотов как M₁=M₂=M₃= ... M_i.

Момент на трубу от одного тела качения
M₁=P·L=P₃·b·l (2) где P - усилие на тело качения;
L - плечо действия силы P относительно центра трубы,
L = · , где b, l - соответственно средние значения ширины и длины площади контакта одного тела качения с трубой;
P_s - среднее контактное давление.

Известно, что P_s= 1,15 K_s ϕ'˙ϕ'' где ϕ'- коэффициент, характеризующий влияние трения, зависит от отношения ( длины очага деформации к средней толщине стенки трубы); ϕ'' - коэффициент влияния внешних зон также зависит от отношения ; K_s - сопротивление деформации металла с учетом наклепа.

Так как (см. фиг. 2) b= , D_пр = , где D, d - соответственно диаметры трубы и тела качения,
S ⁰- приведенная подача на оборот
l ≈ BC ≈ ≈ , где α - угол дуги контакта; Z - число тел качения в ряду.

Момент, например, для первого ряда тел качения
M₁=PDdZ₁= PS°1

D₁
(3)
В первом приближении
S°i=S_ai
(4) где S_oi - подача на оборот на входе в i-й ряд тел качения;
h_i - толщина стенки трубы после прокатки в i-ом ряду тел качения;
h_i-1 - толщина стенки трубы перед i-ым рядом тел качения;
Кроме того, если g_o - подача в мм/мин, то
S_oi = (5) где n_i - число оборотов вращающегося ряда тел качения.

Подставляя значения S^o₁, S^o₂ в формулу (1) получим с достаточной степенью точности (принято, что D_пр1 ≈ D_пр2 и т.д., так как труба тонкостенная).

= = ... = const где (h_o+h₁), (h₁+h₂)... значения средней толщины стенки трубы в первом, втором и т.д. ряду, тел качения, т.е. с определенной степенью точности
= = = ... = const (6)
Как следует из формулы (6), соотношение предусматривает достаточно близкие друг к другу отношения , а следовательно и . Это позволяет заменить значения P_s на значения K_s (сократить d₁, d₂) и формула (6) получает вид
= = ... = const (7)
Формула (7) выведена с определенными допущениями, кроме того естественна неточность в определении сопротивления деформации K_si, поэтому следует говорить о необходимости ее соблюдения с определенной степенью точности.

Произведенная оценка влияния сделанных допущений в предположении, что прокатываемые трубы тонкостенные, т.е. отношение толщины стенки к диаметру <0,1, показывает, что ошибка может составлять не более 10%. Учитывая также возможные отклонения при определении K_s устанавливаем, что зависимость (7) должна выполняться с точностью ±15%, т.е. ее можем записать
: : ... = 1± 0,15
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого способа производства тонкостенных труб; на фиг. 2 - схема очага деформации.

Способ производства тонкостенных труб заключается в следующем. Трубу 1 пропускают вместе с оправкой 2 через калибр, образованный по меньшей мере двумя рядами 3, 4 последовательно расположенных вращающихся головок с телами качения.

Параметры процесса: Δ - величина обжатия трубы по стенке в рядах 3, 4 вращающихся головок с телами качения; h - толщины стенок трубы на входе в ряды вращающихся головок с телами качения подбираются такими, чтобы выполнялось равенство : = 1± 0,15 , где K_s1 - сопротивление деформации металла в 1-ом ряду; K_s2 - сопротивление деформации металла во 2-ом ряду.

Было проведено опытное опробование способа.

При получении трубы диаметром 26 мм с толщиной стенки 0,5 мм из трубы диаметром 27 мм с толщиной стенки 1 мм, материал - сталь 30ХГСА.

По данным испытания механических свойств материала заготовки получено σ_в = 54 кг/мм² (предел прочности), Ψ =0,25 (относительное сужение). На основании этих данных строят кривую сопротивления деформации с учетом наклепа
K_s = , где
n = = = 0,33 ε = , где Δ- величина обжатия стенки
K₃ = =72
При прокатке в двух вращающихся головках с телами качения с обжатиями в каждой обойме по 0,25 мм (Δ ₁= Δ ₂= 0,25 мм) и соответственно с начальной толщиной стенки h₀=1,0 мм, толщиной стенки после первой обоймы h₁=0,75 мм и конечной толщиной стенки h₂= 0,5 мм была достигнута скорость прокатки V= 0,025 м/c.

При дальнейшем увеличении скорости появились трещины под второй обоймой со следами посинения поверхности. Для этого варианта распределения обжатий находим в первой обойме
K=72=72 кг/мм², т.е. ε₁ = =0,25,
h_ср.= =0,875
во второй обойме
K=72=90 кг/мм², т.е. ε₂ = =0,5,
h_ср.= = 0,625 мм
= 20,6 , = 36
Как видно, во второй обойме повышенный в 1,8 раза по сравнению с первой обоймой расход мощности. Это приводит к перегреву и появлению синеломкости в этом очаге деформации.

Для увеличения скорости прокатки было изменено соотношение обжатий в обоймах, а именно принято Δ₁=0,315 мм, Δ ₂=0,185 мм (легко делается подбором). При этом скорость прокатки была увеличена до V=0,032 м/с, т.е. увеличена на 30%.

В этом случае
K=72=77 кг/мм², K=72=90 кг/мм²
h = = 0,8425 мм h= = 0,5925 мм
= = 28,8 = = 28,1
Таким образом, мощности деформации в этом случае в обоих очагах практически одинаковы, т.е. достигнуто оптимальное соотношение обжатий, обеспечивающее оптимальное качество и производительность. Характерная величина, определяющая мощность , во второй обойме снижена на 28%, соответственно удается повысить и скорость прокатки по сравнению с первым вариантом распределения обжатий.

Проведенный расчет, но при отсутствии принятых допущений, показывает, что в основном из-за влияния ϕ' (коэффициент, характеризующий влияние трения) отклонение составляет 8%.

Использование: производство тонкостенных труб волочением на оправке через вращающиеся волоки. Сущность изобретения: деформацию полой заготовки ведут на оправке рядом последовательно расположенных вращающихся головок с телами качения с постоянным отношением удельной энергии по очагам деформации, определяемым приведенной в ф-ле зависимостью: 2 ил.

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ, включающий деформацию полой заготовки на оправке рядом последовательно расположенных головок с телами качения, отличающийся тем, что процесс ведут с постоянным отношением величин удельных энергий по очагам деформации, определяемым зависимостью
: = 0,85-1,15 ,
варьируя обжатие стенки в каждом очаге деформации,
где K_s1, K_si - сопротивление деформации металла с учетом наклепа соответственно в 1-м и i-м ряду;
Δ₁ , Δ_i - обжатие изделия по стенке соответственно в 1 и i-м ряду;
h_cp1 , h_cpi - средняя толщина стенки трубы на входе соответственно в 1-й и i-й ряд тел качения.