Инструмент для изготовления труб проталкиванием Советский патент 1988 года по МПК B21B17/08 B21C1/16 

i

(Л

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.

00

ел

11А0

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления бесшовных труб, например, для крупногабаритн1 1х пароперегревателей в атомной энергетике, баллонов, стояков морского бурения.

Цель изобретения - сокращение расхода металла на донную обрезь.

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

f

и рабочей частью 4 диаметром d.

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

к(1 - Ь

),

(1)

де L Т К длина утоненного переднего конца оправки с диаметром на торце

зазбр между калибром, имеющим диаметр D, и рабочей ступенью оправки, имеющей диаметр d;

коэффициент формы переднего конца

1

2 - - 2 02

(2

Для изготовления толстостенных гильз форма переднего конца оправки определяется

d.

де X dx текущее значение длины утоненного переднего конца оправки, начиная от ее торца,

.45

50

диаметр утоненного переднего конца оправки на расстоянии X от ее торца

величина зазора между калибром и рабочей ступенью оправ- ки

полная длина утоненного переднего конца оправки; диаметр рабочей ступени оп- , равки.

Для такой оправки коэффициент форы переднего конца оправки определен ыражением

Т L d f

(4)

D

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

d.

X

1

rI2 Y 2 - )

D

(5)

20

a коэффициент формы в этом случае определяется из соотношения

«2

-5г(з-|г)

г:1(Г:1ь

(6)

25

5

0

5

Оптимальная форма переднего конца оправки, обеспечивающая наиболее бла- , гоприятные условия как для донной части гильзы, так и для стенки, определена по длине от торца до

30 менение диаметра от d. до d

Iff, (изd2

d2

)

не от

от dt() доd) выражением

этом 1(.р к, L ; а длина

стка

НИЛ

(1),

ср Z

выражением (3), а на дли- L (изменение диаметра

ЦЬ

(5), при второго учаср b2U - К), где значе- определены из соотнощения

из соотношения (4), а

L - ICP L,(1 Ч

из 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

По мере протяжки торец оправки удаляется от калибра и влияние сдвиговых напряжений на прочность стенки гильзы уменьшается, прекращаясь с овсем, когда это расстояние становится больше величины зазора между калибром и оправкой, так как угол между осью протяжки и направлением взаимодействия торца оправки и калибра становится меньше 45 - угла

314

действия максимальных касательных напряжений, приводящих к деформации сдвига. Поэтому для исключения деформации стенки от напряжений, меньших предела текучести расстояние между силами, действуюп1ими на нее со стороны калибра и оправки в момент выхода рабочей ступени из 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 проталкива

ния Q, которое является равнодейству-|5 реднего конца оправки; Up KL. Посющей усилий Q и р2. передаваемых торцом заходной передней ступени оправки (Q) и боковой поверхностью (Q2) в направлении проталкивания.

Сила Q приложена в месте располо-20 жения среднего диаметра переднего конца оправки, определяемого из вы. Jd + d

ражения dtp u- расположенного на расстоянии от торца оправ- ки.

Расстояние до места приложения равнодействующей Q от места приложения силы Q., т.е. от торца оправки, равно 1, а от места приложения силы 30 Q равно ) - Iq. Моменты сил Q, и Qj относительно места приложения их равнодействующей Q эквивалентны произведению зтих сил на расстояние до места приложения силы Q и равным меж-35 ду собой, откуда

Q, р(1ц, - IQ). (7-) Удельное напряжение на оправке q равно отношению полного усилия Q к площади поперечного сечения рабочей

ле подстановки значения Itj) « KL в выражение (11) для 1д имеем

кь(1 -1Ь

(12)

Так как с целью исключения влияния сдвигакщих напряжений на прочность стенки гильзы место приложения равнодействующей О должно находиться от рабочей ступени на расстоянии не менее величины зазора Т между калибдом и рабочей ступенью оправки, то длина заходной ступени L должна быть не менее 1в + Т, т.е. L5 IQ + Т, откуда

L - Ti KL (1 - jl).

(13)

40

Когда заходная ступень выполнена уступом без переходного участка к рабочей ступени, lf,f L , при этом заходная ступень должна иметь

d

максимальную длину L Т гг.

f

При вьтуклой форме переднего конца оправки место расположения среднего диаметра находится ближе к торцу 1ср «CO,5L. При этом длина заходной ступени всегда больше Т.

ступени оправки F 4Q

-d ,. т.е. Яо

При вьтуклой форме переднего конца оправки место расположения среднего диаметра находится ближе к торцу 1ср «CO,5L. При этом длина заходной ступени всегда больше Т.

Определенная по формуле (1) длина 45 утоненного переднего конца оправки

полностью исключает внеконтактную деформацию стенок гильзы в момент выхода рабочей ступени оправки из калибра при напряжениях в них меньше предела ность площадей поперечного сечения 50 текучести металла трубы б. рабочей ступени и торца оправки, равДля того чтобы исключить внеконтактную деформацию стенок гильзы в момент выхода из калибра торца перед- (8) 55 него конца оправки, напряжения в

стенках в этом месте не должны превы шать значения б. Следовательно,

rsgr Усилие Q| определяется как произведение q на площадь торца оп

r-d

равки равную -, а усилие Q определится как произведение q на раз//

ную -(d2 - dz), т.е. : Q, q.jdj, Q 4,f(d -df).

После подстановки значений Q, и О из выражений (8) и (9) в услоние равновесия (7) и соответствующих преобразований оно примет вид:

dflg . (d« - , - IQ). (10)

откуда ц « l,p (1 - ). (11)

В зависимости от формь( переднего конца оправки l, можвг принимать различные значения. Отношение К

1у -г- является показателем формы переднего конца оправки; Up KL. По

ле подстановки значения Itj) « KL в выражение (11) для 1д имеем

кь(1 -1Ь

(12)

Так как с целью исключения влияния сдвигакщих напряжений на прочность стенки гильзы место приложения равнодействующей О должно находиться от рабочей ступени на расстоянии не менее величины зазора Т между калибдом и рабочей ступенью оправки, то длина заходной ступени L должна быть не менее 1в + Т, т.е. L5 IQ + Т, откуда

L - Ti KL (1 - jl).

(13)

Когда заходная ступень выполнена уступом без переходного участка к рабочей ступени, lf,f L , при этом заходная ступень должна иметь

d

максимальную длину L Т гг.

f

При вьтуклой форме переднего конца оправки место расположения среднего диаметра находится ближе к торцу 1ср «CO,5L. При этом длина заходной ступени всегда больше Т.

усилие, передаваемое передним концом, не должно превьппать

f(D« .

(14)

Допускаемое усилие протяжки Q по условию прочности стенки равно

(-

- |(D2 - (15), где (D2-dnплощадь зазора между калибром и рабочей ступенью оправки, равная площади поперечного сечения стенок гильзы в месте выхода рабочей ступени оправки

5Г

-(D - d ) - то же 4

из калибра, а

месте выхода из калибра торца переднего конца оправки,

1

Полное допустимое усилие протяжки, передаваемое оправкой, равно Q - /4d . я„ (16) и равно Рдоп , определяемому из выражения (15). Часть этого усилия, равная.Qy, передаваемая торцом заходной ступени оправки и определяемая соотношением (8), с целью исключения деформации сдвига при выхода торца утоненного переднего торца оправки из калибра, должна быть не более Р|доп т.е. Q Qlfton С)тсюда справедливо вьфа- жение

У1й.гд. Ух с 17) QAO« Q

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

J(D -dp

fit i

4 Ч,

о

эг j 7 |(D - d), dz q

откуда получаем вьфажение

-

-i- D2

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

d

г.

d,4

. .

7

(19) 50

Определенные таким образом из выражений (1) и (2) соответственно значения длины и диаметра заходного уча стка оправки обеспечивают полное использование несущей способности стенок гильзы при протяжке и при знаках

093576

равенства в выражениях (1) и (2) являются оптимальными.

При большем значении диаметра торца утоненного переднего конца оправ5

10

15

20

25

30

ки d снижается несущая способность околодонной части, так как деформация сдвига в зтом случае возникает в ней при усилиях меньших, чем максимально допустимые по условию прочности стенки протянутой гильзы.

При меньших значениях диаметра утоненного переднего торца оправки увеличивается усилие протяжки гильзы на этом y4actKe, 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.

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

L 4

Т

1 к

5 - d2/DZ

(20)

При протяжке гильзы на оправке последовательно через несколько калибров необходимая длина утоненного .переднего конца оправки уменьшается пропорционально уменьшению зазора Т - это следует из вьфажения (1), и наоборот при уменьшении длины переднего конца оправки на величину X его длина L уменьшается, при этом в (1 - г)

Ij

раз и соответственно во столько же раз уменьшается допустимая величина

Т(1 - . Вьфажение (3)

зазора Т

оптимальное значение диаметра d

по

55

длине переднего конца оправки получается после подставки в выражение (9) вместо d| его текущего значения d, а вместо Т его текущего значения

Т, Т(1 - f)

К.

f

liL L

1

d Jl,df D -

+ 1) - 1)

(21)

и после подстановки в это выражение оптимального значения диаметра из выражения (2) d, d/i - dVD получим выражение (4) для коэффициента формы заход ной ступен

К,

- ir) - .).

В формуле (3) не учтено влияние части заходной ступени длиной X до сечения оправки диаметром d, на допустимые напряжения в стенках гильзы. Поэтому, значения диаметра d, не явля- 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 допустимых напряжений в стенках гильзы по длине переднего конца ступени при условиях протяжки, равных прочности стенок гильзы, опре- делена при задании равномерного изменения напряжений в стенках от б /2 до 5 j. по длине заходной ступени.

т.е.

§if 1 2

) L

где

- предельно допустимые напряжения в стенках гильзы на расстоянии X от торца

d

X

2дии , 1/1()

()(i+1

(26)

откуда после преобразований получим выражение (5) для формы переднего конца оправки, имеющей максимально допустимые значения диаметра в Л1ббом ее сечении и обеспечивакяцей использование полной несущей способности стенки гильзы

I 1 2 Х7ь)

Значение (5) при

X

L d.

определенное из выражения

являетJd2/i dЧ 7

cf. - Ч 2 ся по определению коэффициентом фор мулы К

и

2 4 d 7df d5 7DJ ( di /d T с учетом оптимальной величины от50

55

()г

2 -Ё D

ношения tz; gj- :г - g получаем выражение (6) для коэффициента формы утоненного переднего конца оправки

(3 .) t ) Длина утоненного переднего конца оправки определяется путем подстановки в формулу (20) значения К из выражения (6).

К.

Анализ выражений (5) и (6) показывает, что такая оправка имеет заход- ную ступень с выпуклой формой боковой поверхности с коэффициентом формы К.,

1

1

изменяющимся от т до г в диапазоне 0.1.

В реальных процессах проталкивания ю

отношение : меняется от минимального

значения г до максимального, равноdго 0,9, причем при fj -Г протяжка с

использованием полной несущей способности стенки невозможна, так как раньше начнется прошивка дна. При протяжке толстостенных гильз с соот

ношением г . 0,7 оптимальной является

оправка с вогнутой формой боковой поверхности утоненного конца оправки в соответствии с вьфажением (3). Такая форма оправки обеспечивает максимальное усиление донной части гильзы за счет увеличения эффективной толщины дна на величину 1 L - Т, Например,

d2 ,

при fTj 1/3 коэффициент формы для

такой оправки из выражения (4) равен К 0,79, а L 1,46Т. Соответственно эффективное увеличение толщины дна составит IQ 1,46Т, тогда как для оправки с выпуклой формой утоненного переднего конца оправки только О,22 Т При проталкивании тонкостенных

гильз с отношением - 0,7 оптималь-

ной является вьтуклая форма утоненного переднего конца оправки, обеспечивающая постепенное наращивание напряжений в стенках гильзы по длине переднего конца оправки и исключающая влияние пика усилий и градиента температур при протяжке дна и переходной части гильзы с утолщенной стенкой на протяжку стенки в районе рабочей ступени оправки,

На,практике на одной оправке деформируют толстостенные и тонкостенные гильзы. В этом случае обоим условиям отвечает оправка, у которой за- ходная часть утоненного переднего конца оправки до значения среднего

диаметра, равного d у 1/2(d2 + d), вьтолнена в соответствии с уравнением

(3), а прилегающая к рабочей ступени- в соответствии с уравнением (5), причем длина первой части заходной ступени равна

1

K,L, ,

(28)

а второй части 1 (1 - К), (29) где К и К определяются из уравнений (4) и (6), а L и L 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 (9 760 мм снаружи И(410 мм изнутри.

По условию прочности дна гильзы проталкивание с полным использованием прочности стенки может быть при максимальном отношении диаметров калибра и оправки, равном /Т, что соответствует максимальному значению диаметра калибра 390 /Т 675 мм и зазору Т 0,5(675-390) 142,5 мм. Расчет конструкции оправки производят ют размера калибра ( 675 мм, так как при диаметре оправки ф 390 и большем размере калибра предельное напряжение проталкивания определяется прочностью дна, в этом случае напряжений в стенках всегда меньше предела текучести материала.

Диаметр торца утоненного переднего конца оправки определяем по формуле (2)

d, 302 мм.

Коэффициент формы первой (вогну- той) части утоненного переднего конца оправки определен из формулы (4) и равен Kj 0,79, а длина этого участка с учетом уравнений (28) и (20) соответственно равна 1 164,5 мм,

Коэффициент формы второй (вьшук- лой) части заходной ступени определяется из формулы (6) и равен К 0,455 а ее длина с учетом выражения (29) и (20) равна 1 5 мм,

Общая длина утоненного переднего конца оправки равна

L 1 г 2

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

и формы позволяет в 1,2-1,5 раза увеличить обжатие при изготовлении труб методом проталкивания через калибры, а также снизить расход металла на изготовление труб за счет снижения донной обрези в 1,1 раза.

Формула изобретения

Инструмент для изготовления труб проталкиванием, содержащий калибр и ступенчатую оправку с утоненным передним концом, отличающий- с я тем, что, с целью сокращения расхода металла на донную обрезь, образующая поверхность переднего утоненного конца оправки выполнена по

Г1

1 285( .

390 L/ J

2 208,2

L- .bt|2-1(1-.)

Kf К.

174,2

кривой на длине, определяемой снмостью:

т ---.

1 -K()

где L - длина утоненного переднего конца оправки с диаметром на торце ;

Т - зазор между калибром, имеющим диаметр D и рабочей ступенью оправки, имеющей диаметр d; .

К - коэффициент формы переднего конца при отношении

1, j..l

Ь - i

0,77

0,78

0,79

0,8

0,81

0,83

0,84

0,87

0,89

0,89

.0,9

0,93.

0,95

0,86

0,98

1,00

302

304,9

308,2

312

316,7

322,4

329,5

338,5

349

349

352,8

361,1

368,9

376,3

383,3

390

О

20,8

41,6

62,4

83,2

104,0

124,8

145,6

164,5

164,5

172,3

189,8

207,2

224,6

242

259,4

44

42,5 40,9 39

. 36,7

33,8

30,2

25,7

20,5

20,5

18,6

14,5

10,6

6,8

3,2

О