Разработка технологического процесса и оборудования для изготовления особо тонких сварных труб

В зависимости от назначения труб, характеристики и размеров, исходного материала сварные трубы получают несколькими способами, каждому из которых присущи свои технологические недостатки и преимущества.

Способы производства сварных труб можно классифицировать по двум основным отличительным особенностям.

По температуре формуемого металла: формовка холодного листа (все виды современных трубоэлектросварочных агрегатов); формовка горячего (агрегаты непрерывной печной сварки труб);

По способу получения окончательных размеров готовых труб на калибровочных клетях формовочно-сварочных агрегатов; получение на трубосварочных агрегатах ограниченного числа размеров труб-заготовок и окончательное формирование диаметра и толщины стенки на редукционно-растяжных станах горячего и холодного редуцирования.

Способы производства сварных труб классифицируются также по характеру протекания процесса (непрерывный и дискретный), числу и направлению швов на трубах (одношовные и двухшовные, прямошовные и спиральношовные), способу формовки листа в трубную заготовку (валковая, прессовая, в машинах валковооправочного или полувтулочного типов), способу сварки (печная, дуговая под слоем флюса, электросварка сопротивлением, индукционная сварка, сварка токами высокой частоты, электросварка в среде инертных газов, электроннолучевая сварка, сварка постоянным током, плазменная и ультразвуковая сварка) и количеству слоёв в трубе (однослойные и многослойные). В последние годы широкое применение получили особотонкостенные (с толщиной стенки 0,15…0,5 мм) сварные профильные трубы (рис.1) (прямоугольные, плоскоовальные и др.) из алюминия, меди, латуни и нержавеющей стали.

Рис. 1. Особотонкостенные сварные профильные трубы

Они широко используются в мировой практике бытового машиностроения (кондиционеры, холодильники), производства стеклопакетов оконных рам для жилищного и промышленного строительства, изготовления автомобильных радиаторов, многослойных сильфонов для атомной энергетики и пр. Потребность в таких трубах составляет десятки миллионов погонных метров в год. В России особотонкостенные сварные профильные трубы (прямоугольные, плоскоовальные и др.) не производятся и закупаются по импорту, что резко удорожает стоимость изделий, в которых они применяются.

Для производства стеклопакетов оконных рам только для Москвы требуется в год свыше 10 млн. погонных метров прямоугольных профилей из алюминиевых сплавов. Организация производства таких профилей в Москве позволит отказаться от импорта аналогичной продукции и привести к экономии как минимум 10 млн. рублей в год.

Таким образом, разработка технологического процесса и оборудования для изготовления особо тонких сварных труб является важной задачей металлургического машиностроения. По этим причинам был разработан трубоэлектросварочный агрегат ТЭСА 10−20, предназначенный для производства особотонкостенных электросварных труб широкого сортамента в пределах от 10 до 20 мм методом непрерывной формовки трубной заготовки из холоднокатаной ленты в рулонах, сварки ее токами высокой частоты и калибрования или профилирования на заданный размер.

1. Назначение и техническая характеристика ТЭСА 10−20

Трубоэлектросварочный агрегат ТЭСА 10−20 предназначен для производства точных сварных прямошовных холоднодеформированных труб малого диаметра в бунтах или мерными длинами, используемых при изготовлении различных деталей в автомобильной промышленности и в общем машиностроении.

Были проанализированы запросы потребителей особотонкостенных профилей (труб), которые нашли широкое применение в строительных конструкциях, практике бытового машиностроения и автомобилестроения, основные технические характеристики стана для производства профилей (труб) данного сортамента должны иметь следующие параметры:

Исходная заготовка

Лента в рулонах:

Материал алюминий и его сплавы

Толщина ленты, мм 0,15…0,5

Ширина ленты, мм до 80

Точность ленты по ширине, мм 0,02

Наружный диаметр рулонов, мм до 1600

Внутренний диаметр рулонов, мм 250

Готовая продукция

Диаметр свариваемых труб, мм 10…20

Толщина стенки, мм 0,15…0,5

Типы профильных труб квадратные, прямоугольные, овальные, профильные

Размеры профильных труб в пределах периметров свариваемых труб

Длина профилей (труб), м 4…6

Сварка труб высокочастотная с индукционным подводом

Мощность, потребляемая от сети, кВт 87

Колебательная мощность, кВт 60

Рабочая частота, МГц 0,44

Скорость сварки, м/мин 20…80

Часовая производительность, м/час 650…2500

2. Особенности изготовления тонкостенных труб

Формовка прямошовных труб заключается в том, что металлическая лента вначале изгибается в валках, приобретая форму желоба, а затем сворачивается в цилиндрическую заготовку круглого и овального профиля в сечения с прямолинейным сходом кромок.

Однако, при изготовлении тонкостенных труб известные приемы и оборудование не позволяли добиваться стабильности и высокого качества формовки и сварки.

Было установлено, что вследствие погрешностей изготовления и настройки валков, а также колебаний толщины заготовки, в валках с открытым калибром наряду с пластическими изгибами ленты происходят местные изменения ее толщины. Деформации такого рода, как правило, невелики и практически не оказывают влияния на формовку обычных прямошовных труб с относительно толстыми стенками (> 1 мм).

В случае формовки тонкостенных труб при тех же деформациях изменение толщины заготовки в процентном отношении получается значительным, и на ее кромках образуются гофры, исключающие возможность сварки трубы. Кроме того, вследствие указанных причин, возникают асимметричные нагрузки, которые стремятся вытолкнуть ленту из калибров в сторону. Единственным методом приложения противодействующих сил являются боковые поверхности кромок ленты, поэтому чем тоньше и пластичнее лента, тем труднее удержать ее в калибрах, не повредив при этом кромок.

Было также установлено, что в валках с закрытым калибром цилиндрической заготовке придают в сечении форму круга или овала симметричного относительно горизонтальной оси, которая делит полученный профиль на две неравные по периметру части. Периметр одной из них из-за наличия щели между кромками всегда меньше периметра другой. При сдавливании такой трубной заготовки во время сварки валками металл из большой по периметру части перемещается в меньшую для образования сварного соединения кромок.

В результате указанного движения металла, а также неодинаковых условий трения в калибре сварочных валков возникает закручивание трубной заготовки вокруг ее продольной оси и переменной по направлению. Удержать тонкостенную трубную заготовку от закручивания валковой шовонаправляющей клетью обычно не удается.

И, наконец, еще одна особенность характерная для процесса ВЧ сварки тонкостенных прямошовных труб. Вследствие неточностей изготовления инструмента и раскроя полосы давление металла на валки в сварочном калибре меняется от минимума до избыточной величины. Кромки тонкостенной трубной заготовки, разогретые до сварочной температуры, при сдавливании их валками при избыточном давлении, теряют устойчивость. Сварочные клети традиционной конструкции не позволяют решить эту проблему.

Анализ перечисленных особенностей формовки и ВЧ сварки тонкостенных труб позволил сформулировать основные требования к технологии и оборудованию по сварке тонкостенных труб из цветных металлов.

Назначение детали в узле

Винт направляющий является составной частью вертикальной клети формовочного стана трубоэлектросварочного агрегата ТЭСА 10…20. Он предназначен для совмещения оси прокатки с осью валков.

Винт наружной цилиндрической поверхностью диаметром 13е8 соединяется с внутренней цилиндрической поверхностью втулок, которые являются его опорами. Через соединение «ласточкин хвост», винт вращаясь, придает паре валков поступательное движение в вертикальном направлении.

Вертикальная клеть, частью которой является направляющий винт, служит для предотвращения провисания ленты при ее формовке в трубу и не является приводной, поэтому она не испытывает сильных нагрузок. Следовательно условия работы винта не являются тяжелыми.

Несмотря на нетяжелые условия работы, винт, все же, является ответственной деталью в вертикальной клети. Качество обработки этой детали определяет нормальную работу всего агрегата. От геометрической точности обработки его поверхностей и нарезки трапецеидальной резьбы зависит точная регулировка оси формовки трубы степень ее провисания, а следовательно и качество конечной трубы.

Под точностью в технологии машиностроения понимают степень соответствия производимого изделия его заранее утверждённому эталону. На всех этапах технологического процесса изготовления изделия неизбежны те или иные погрешности, в результате чего достичь абсолютной точности практически невозможно. Поэтому на геометрические размеры детали устанавливаются допуски.

Базой, по отношению к которой задаётся допуск на точность расположения элементов, является ось вращения. Основным отклонением здесь рассматривается допуск на соосность двух резьбовых элементов винта, которые имеют левую и правую нарезку трапецеидальной резьбы.

Обеспечение заданного качества механизмов и их длительное сохранение во многом зависит от качества поверхностей деталей. Около 80% случаев выхода из строя машин связанно с износом рабочих поверхностей сопряжённых деталей. Под качеством поверхности детали понимают состояние её поверхностного слоя как результат воздействия на него последовательно применяемых технологических методов. Оно характеризуется шероховатостью, волнистостью, а так же физико-механическими свойствами поверхностного слоя.

Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической нагрузки. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Для повышения износостойкости трущихся деталей целесообразно создавать поверхности скольжения, шероховатость которых соответствует шероховатости поверхностей приработанных деталей.

Несущая способность поверхности детали зависит от её шероховатости и метода обработки: при высоте микронеровностей 2.5…8 мкм после развёртывания и шлифования она составит 10%; при высоте микронеровностей 0.8…2.5 мкм для тех же методов обработки она повышается до 40%; в результате тонкого шлифования, тонкой притирки и суперфиниша — 80…90%.

Исходя из вышесказанного назначим следующие шероховатости:

поверхность соприкосновения с опорными втулками Ra=1,6мкм;

поверхность резьбы Ra=3,2мкм;

К направляющему винту предъявляем следующие технические требования:

1) Диаметральная точность

Поверхности:

IT8 13е8 Ra 1,6;

IT8 Tr16x2Lh-8c Ra 3.2;

Остальные поверхности по IT14

2) Линейные размеры:

10−0.12 Ra 6.3;

29−0.1 Ra 1.6

Технологический анализ конструкции проводится по качественным и количественным показателям. Отработка детали на технологичность по качественным показателям предшествует количественной оценке и подразумевает установление соответствия рабочего чертежа детали требованиям современных заготовительных и механосборочных производств.

Технологичной считают деталь, в которой учтены возможности минимального расхода металла и использование наиболее экономичных и производительных методов изготовления с применением типовых технологических процессов и оснастки при заданном типе производства. Для решения указанных задач необходимо соблюдать следующие требования:

— унификация элементов конструкции детали;

— требование точности обработки и шероховатости поверхностей детали должны соответствовать условиям ее эксплуатации, не допускается завышение требований к точности и шероховатости;

— конструктивные формы и размерные соотношения детали должны обеспечивать ее достаточную жесткость и возможность применения жесткого инструмента;

— необходимо обеспечить удобные базирующие поверхности, предусмотреть совмещение технологических, измерительных и конструктивных баз. Размеры необходимо проставлять таким образом, чтобы при обработке и контроле не требовалось дополнительных вычислений;

— целесообразно стремиться к сокращению объема механической обработки;

— необходимо обеспечить свободный подвод и сквозной проход режущего инструмента;

— четко разделить поверхности, обрабатываемые на различных технологических переходах.

Данная деталь технологична по следующим показателям:

— конструктивная форма направляющего винта представляет собой сочетание простых геометрических поверхностей, следовательно, существует возможность применения высокопроизводительных методов производства и выбора удобной и надежной базы в процессе обработки.

— метод получения заготовки — отрезание от круглого проката. Этот метод характеризуется невысокой трудоемкостью, поскольку в данном случае мы имеем дело с единичным либо мелкосерийным производством, метод подходит.

Поскольку отношение, то деталь является нежесткой. Для облегчения процесса обработки винта используется ходовой люнет по диаметру 16 мм.

Выбор метода получения заготовки определяется следующими критериями:

а) Размеры и конструктивная форма заготовки. Максимальный размер наружной поверхности — 16 мм, длина винта — 405 мм; конструктивная форма — цилиндр (простая форма).

б) Шероховатость и качество её поверхностных слоёв. Шероховатость поверхности Ra1.6 Ra 3.2.

в) Тип производства — единичное, мелкосерийное.

На основании вышесказанного можно заключить, что методом получения заготовки является отрезка от круглого калиброванного профиля диаметром 20 мм ГОСТ 7417–88 40Х ГОСТ 1050–88

Выбор маршрута обработки производят, исходя из требований чертежа и точности заготовки. Требуемая точность готовой детали достигается за счет нескольких стадий (переходов) обработки. Причем каждый переход обработки повышает точность детали в среднем на:

1…2 квалитета на стадиях окончательной и чистовой обработки;

2…3 квалитета на стадиях предварительной обработки.

Учитывая это, составим маршрут обработки следующих основных поверхностей:

13е8 Ra 1,6;

Tr16×2−8c Ra 3.2;

Tr16x2Lh-8c Ra 3.2;

Это наиболее ответственные поверхности детали. Маршрут будет выглядеть следующим образом:

IT 14 — Точение черновое

IT 11 — Точение получистовое

IT 8 — Точение чистовое

Разработка общего маршрута обработки детали с описанием этапов обработки.

При проектировании технологических процессов большое значение, с точки зрения достижения заданной точности, имеет выбор баз. Обработку заготовки следует начинать с выбора баз.

При построении маршрута обработки следует придерживаться принципа постоянства баз, т. е. на всех основных технологических операциях использовать одни и те же поверхности в качестве технологических баз.

В процессе обработки детали необходимо производить контроль точности расположения поверхностей, отклонения формы элементов. Это нужно для своевременного выявления отклонений и последующего их исправления.

Маршрут обработки.

Оп. 005 Заготовительная.

Отрезка круглого проката на круглопильном станке дисковой пилой.

Оп. 010 Правильная.

Выполняется на винтовом прессе.

Оп. 015 Термообработка.

Нормализация до HRC 30…34

Оп. 020 Маркировка.

Оп. 025 Фрезерно-центровальная.

Выполняется на фрезерно-центровальном станке в два установа. Переход 1 включает в себя подрезание торцов (Ra=12.5) и отрезание заготовки в размер L=405мм. В переход 2 входит операция сверления центровых отверстий 2 мм

Оп. 030 Токарно-винторезная.

Выполняется на токарно-винторезном станке. Включает 7 переходов, в процессе которых обрабатываются различные поверхности с применением упорного и канавочного резцов, а также ходового люнета по 16 мм.

Оп. 035 Токарно-винторезная.

Выполняется на токарно-винторезном станке. Включает 4 перехода, в процессе которых обрабатываются различные поверхности с применением упорного, канавочного и резьбового резцов.

Оп. 040 Фрезерная.

Выполняется на вертикально-фрезерном станке.

Фрезеруется квадрат 10−0,12 мм

Оп. 045 Маркировка.

Оп. 050 Контрольная.

Контроль отклонений от соосности и от перпендикулярности.

Тонкостенная труба успешно формуется и сваривается, если полосу не выбрасывает из калибров валков, кромки сформованной трубной заготовки имеют неповрежденную поверхность и прямолинейную форму и крутильные колебания ее в сварочном калибре имеют минимальную величину.

Эти требования можно обеспечить, во-первых, слежением валков за геометрическими и силовыми изменениями, происходящими в открытых калибрах. Слежение осуществляется верхними валками рабочих клетей формовочного стана, установленными относительно нижних с возможностью свободного осевого и упругого радиального перемещения, причем верхние валки под действием пружин поджимаются к нижнему с усилием, которое обеспечивает пластический изгиб ленты и ее продольное перемещение. В течение всего процесса формовки проходные сечения калибров самонастраиваются непосредственно по изгибаемой заготовке, при этом больших усилий, выталкивающих ленту в сторону из калибров, не возникает и дефекты на ее кромках не образуются.

Во-вторых, в закрытом калибре валков последней клети трубную заготовку необходимо формовать в виде профиля овальной формы со щелью, несимметричного относительно горизонтальной оси его сечения и разделенного горизонтальной осью на неравные по периметру части, при этом периметр части со щелью должен превышать периметр другой части на величину, вытесняемую в грат. В этом случае сварное соединение образуется только за счет разницы периметров без перемещения металла из одной части профиля в другую и без сопутствующего такому движению металла в сварочном калибре закручиванию трубы.

Формовка (сворачивание) плоской трубной заготовки (листа, ленты, штрипса) в цилиндрическую заготовку — одна из основных операций всех технологических процессов производства сварных труб. Для осуществления процесса формовки требуются значительно меньшие затраты, чем при прокатке, что оказывает решающее влияние на технико-экономические показатели производства сварных труб.

Непрерывной формовкой, называемой также «роликовой формовкой» из выправленной ленты или толстого листа (в виде отдельных полос или бесконечной заготовки), получают шлицевую трубу с заданной геометрией, предназначенную для сварки.

Процесс непрерывной формовки труб характеризуется рядом особенностей:

1. Проекция кромки полосы на горизонтальную плоскость до точки сварки представляет собой кривую, примерно соответствующую синусоиде.

2. Траектория средней линии полосы в направлении прокатки может проходить как горизонтально, так и под углом к участку формовки.

3. Профили сечений, т. е. геометрическая форма калибров, должны быть последовательными.

4. Отношение длины формовочного участка к диаметру трубы должно быть определенным.

На рис. 2 показан простейший случай формовки труб с непрерывно изменяющимся радиусом, причем средняя линия полосы проходит на неизменной высоте. Проекция кромок полосы на горизонтальную плоскость (кривая а) синусоидальной формы. Ее рассчитывают по формуле

.

Кривая b является проекцией траектории кромок полосы на вертикальную плоскость и определяется из формул:

В=r2а, уа =rsina, h=r (1 — cos а). Кривую с находят из равенства ус=.

Рис. 2. формовка трубы с непрерывно изменяющимся радиусом

Все эти уравнения связывают между собой ширину полосы В, радиус профиля r, высоту кромок h и величину у для случая синусоидальной траектории кромок. По этим уравнениям для каждой точки формовочного участка можно рассчитать соответствующий радиус профиля.

Имеется ряд других возможных вариантов формовки (рис.3). Например, постепенная гибка от кромок к середине полосы, т. е. сначала и изгибают по радиусу кромки полосы, а затем постепенно захватывают новые участки полосы вплоть до средне линии.

Рис. 3. Схемы формовки труб: а — гибка с постоянным радиусом; б — гибка от кромок к середине полосы; в—гибка от середины к кромкам полосы; г —гибка с использованием сопряженных радиусов

Совершенно иным способом формовки является случай, когда кромки полосы остаются прямыми, т. е. не деформируются, а деформация гиба начинается с середины полосы и достигает кромок только в последних клетях.

Ещё один вариант формовки можно рассматривать как компромиссное решение, полученное из двух предыдущих. Он состоит в формовке с использованием профилей, описываемых сопрягающимися дугами. Причём меньшим радиусом описываются зоны, прилегающие к кромкам полосы, большие радиусы используются для средних её участков. Четыре различные системы формовки изображены в виде моделей на рис. 4.

Рис. 4. Модели различных схем формовки труб (а—г см. рис.3)

Для стабильности процесса желательно, чтобы продольные деформации кромок полосы, возникающие при формовке труб, не выходили за пределы упругой области. Одновременно для оптимальной формовки труб необходимо, чтобы разность длин всех лучей, проходящих параллельно оси полосы, на участке формовки была минимальной.

Обычно на практике ленту формуют в трубу за 8−10 проходов, т. е. поэтапной формовки профиля.

Формовочный стан включает 6…8 вертикальных холостых валков. Вертикальные валки предназначены для предотвращения распружинивания трубной заготовки, но иногда используются и для увеличения деформации гиба. Последовательность операции формовки на непрерывных валковых станах определяется выбранными условиями изгиба полосы, обеспечивающими технологичность процесса и минимальные напряжения в полосе.

В первых формовочных клетях применяются калибры открытого типа, в последних — закрытого типа. Верхние валки клетей с закрытыми калибрами имеют шовонаправляющие шайбы, которые удерживают трубную заготовку от проворачивания и обеспечивают правильное её вхождение в сварочную клеть.

При поэтапном процессе формовки полоса после каждого калибра стремится к упругому восстановлению своей формы, т.к. сила прикладывается к полосе в точке или по линии, начиная с кромок полосы. Только в плоскости, проходящей через оси обоих роликов, калибр охватывает всё сечение полосы, и формовка осуществляется в новой клети. Сразу после прохождения этой плоскости на полосу снова действуют силы, обуславливающие её упругое восстановление до тех пор, пока она не попадёт в зону влияния следующей формовочной клети. В этом случае всегда имеет место неравномерность деформации продольных элементов полосы, причём, элементы находящиеся у кромок, испытывают максимальное растяжение. Неравномерность деформации продольных элементов уменьшается с увеличением длины переходной зоны, а отсутствовать может лишь при бесконечной длине зоны деформации.

В соответствии с кривизной сечения, в частности в районе кромок полосы, действуют осевые напряжения изгиба и кручения. Определенное влияние оказывают также относительные скорости формующих валков.

Тело сформованной трубной заготовки и свариваемые кромки необходимо с большой скоростью (не менее 5000С/сек) разогреть, направить в сварочную клеть, удержать точку схождения кромок в зазоре сварочных валков, сдавить дозированным усилием, удалить наружный грат и охладить.

Перечисленные требования определяют состав и конструкцию оборудования сварочного участка, включающего шовонаправляющую клеть, сварочную клеть, гратосниматель и холодильник.

Назначение шовонаправляющей клети — направить разогретые в индукторе кромки сформованной тонкостенной трубной заготовки под определенным углом (2 — 5) в сварочную клеть и удержать точку схождения кромок в зазоре сварочных валков.

Традиционные валковые шовонаправляющие клети для этой цели малопригодны.

Наиболее полно соответствует назначению шовонаправляющая клеть, рабочий орган которой выполнен в виде профилированной минералокерамической пластины, закрепленной на немагнитной штанге и расположенный в непосредственной близости от очага сварки.

Для обеспечения требуемого качества ВЧ сварки тонкостенных труб необходимо использовать сварочную клеть, отличительные особенности которой заключаются в том, что давление в сварочном калибре, создаваемое упругим элементом, является величиной постоянной, независимой от изменения геометрических размеров заготовки и погрешностей изготовления валков.

Серьезной проблемой производства тонкостенных труб является удаление наружного грата. Наиболее известным дефектом тонкостенных труб является так называемый эффект «яблока», когда при попытке удалить полностью грат стенка трубы проваливается под действием резца или не полностью удаленный грат производит тоже действие в валках калибровочного стана.

Форма резца, опора, по которой двигается труба в гратоснимателе и расположение его относительно очага сварки имеют решающее значение при выполнении этой операции.

Способностью свариваться обладают все металлы, образующие при определенных температурах твердые растворы и механические смеси. Соединение при сварке происходит за счет межатомного воздействия путем сцепления (связи) атомов. Для того чтобы произошла сварка, необходимо соединить кромки трубной заготовки. При достаточно близком сближении внешние электроны атомов металлов соединяемых кромок трубной заготовки образуют общую систему, вследствие чего и достигается сварка. Таким образом, при сварке возникают внутрикристаллические связи между соединяемыми кромками заготовки (или соединяемыми кромками и металлом шва).

Сближению атомов мешают неровности поверхности кромок и наличие на этих поверхностях загрязнений (окислов, органических пленок и др.). В соответствии со способом, применяемым для устранения этих препятствий и обеспечения необходимого для сварки сближения атомов, все существующие методы сварки разделяют на две основные группы:

способы сварки совместной пластической деформацией при нагреве выше температуры рекристаллизации (сварка давлением);

способы сварки совместным плавлением кромок (сварка плавлением).

Механизм возникновения внутрикристаллической связи между металлом кромок для этих двух групп методов сварки различен.

При сварке плавлением кромки трубы соединяются за счет расплавления металла свариваемых элементов (основного металла по кромкам в местах их соприкосновения или основного металла кромок и дополнительного металла электрода). Расплавленный металл свариваемых кромок самопроизвольно (без приложения внешнего усилия) сливается между собой и дополнительным металлом, образуя так называемую сварочную ванну. После удаления источника тепла металл в ванночке затвердевает (кристаллизуется), образуя сварное соединение.

При сварке труб плавлением для расплавления металла шва используют различные источники нагрева, создающие температуру не ниже 2000° С. В зависимости от источника тепла, используемого для расплавления металла, различают электрическую и химическую сварку.

При электрической сварке плавлением источником нагрева металла шва трубы служит электрическая дуга или электронный пучок (электронно-лучевая или плазменная сварка).

При химической сварке плавлением в качестве источника тепла используют реакцию горения газов (газовая сварка).

При сварке труб давлением соединение кромок достигается нагревом их до высокой температуры и последующей совместной пластической деформацией в месте соприкосновения.

Процесс сварки давлением происходит при высоких температурах, когда металл кромок заготовки находится в пластическом состоянии, но не расплавляется. При различных методах производства труб кромки нагреваются за счет тепла пламени (печная сварка); тепла, выделяемого при прохождении электрического тока в контакте кромок (контактная сварка сопротивлением); тепла, выделяемого при прохождении индуктированного тока (индукционная сварка).

Кроме температуры и давления, на прочность сварного соединения влияет также период времени действия необходимой высокой температуры и давления. Чем больше время действия давления, тем выше прочность сварного шва.

Для обеспечения качественного шва сварных труб необходимо создать достаточно высокое сварочное давление на кромках свариваемой заготовки; это давление должно быть обеспечено соответствующей калибровкой рабочего инструмента.

Выбираем сварку труб давлением.

В трубной промышленности получил широкое применение новый способ производства электросварных труб — сваркой токами высокой (радиотехнической) частоты (70—450 кгц).

Этот способ успешно применяют для сварки труб диаметром от 10—12 до 529 мм и более со стенкой толщиной от 0,3 до 10 мм.

Основные преимущества этого способа сварки труб:

а) возможность значительного увеличения скорости сварки труб (до 120 м/мин и более) и углеродистых, легированных и высоколегированных сталей, в том числе нержавеющих, цветных и редких металлов и сплавов;

б) возможность получения труб с качественным швом из горячекатаной нетравленой ленты;

в) значительное уменьшение удельного расхода электроэнергии на тонну готовых труб.

Одним из важных преимуществ этого процесса является также возможность применения одного и того же сварочного оборудования для сварки различных металлов. При этом изменяется лишь потребляемая мощность и скорость сварки.

Применяют два способа подвода тока высокой частоты от источника его получения к кромкам трубной заготовки — контактный и индукционный.

В обоих случаях интенсивность нагрева кромок зависит от частоты тока.

Как при контактном, так и при индукционном подводе тока заготовка формуется в трубу в валковых станах, после чего кромки сближаются с помощью обжимных роликов. Перед сваркой сходящиеся кромки образуют острый угол (рис. 5,6).

Рис. 5. Схема высокочастотной сварки с контактным подводом тока: 1 токоподводящие контакты; 2 — трубная заготовка; 3 — сжимающие валки; 4 точки схождения кромок; 5 — два возможных пути тока (пунктирные линии)

Рис. 6. Схема высокочастотной сварки с индукционным подводом тока:1 — трубная заготовка; 2 — индуктор; 3 — ферритовый стержень; 4 — сжимающие валки; 5 — путь тока; 6 — точка схождения кромок

При индукционном способе передачи энергии свариваемую заготовку помещают в цилиндрический индуктор (рис.5). При этом ток, индуктируемый в заготовке, проходя по ее периметру, достигает максимальной концентрации на свариваемых кромках и замыкается в точке схождения их. Для усиления эффекта внутрь трубы вводят магнитный сердечник, набираемый обычно из ферритных колец.

Нагрев кромок трубной заготовки токами радиочастоты позволяет осуществлять сварку как с оплавлением, так и без оплавления кромок; при этом возможны три режима нагрева кромок.

Разогрев кромок свариваемой заготовки ниже температуры плавления металла с последующим обжатием в опорных валках.

Разогрев кромок свариваемой заготовки с оплавлением в точке схождения кромок с последующим обжатием в опорных валках. При этом жидкий металл с окислами легко удаляется давлением шовсжимающих валков.

Кромки при подходе к точке схождения нагреваются до расплавления, а на стыке дополнительно перегреваются. В дальнейшем при схождении кромок происходит интенсивный выброс оплавленного металла, сопровождающийся разрушением окислов и удалением их из зоны шва.

Выбор того или иного варианта ведения сварочного процесса зависит от свойств металла трубы, качества поверхности заготовки и требований, предъявляемых к внутреннему грату;

При наличии на поверхности металла плотных тугоплавких окислов, например при сварке нержавеющих сталей, для их удаления из зоны шва наиболее эффективен третий способ сварки, с предварительным оплавлением кромок до момента их схождения.

Малоуглеродистые стали хорошо свариваются как при разогреве кромок ниже температуры плавления, так и в расплавленном состоянии.

Однако в первом случае давление на свариваемые кромки должно быть больше, чем в случае сварки с расплавлением, что ведет к образованию ровного, но значительного по величине внутреннего грата. Поэтому целесообразно вести процесс с расплавлением в точке схождения кромок

При изготовлении труб токами радиочастоты качество сварного соединения повышается с увеличением скорости сварки. Это вызвано тем, что сокращается время нагрева и ширины зоны нагрева кромок, а также сокращается период времени интенсивного окисления металла.

Состояние поверхности ленты в значительной степени влияет на качество сварного соединения.

Качество сварного соединения труб, изготовленных радиочастотной сваркой, проверяют стандартными методами: сплющиванием до появления трещины и раздачей конусной оправкой. Результаты испытаний показывают, что механические свойства сварного шва труб, сваренных токами радиочастоты значительно превышают требования ГОСТа, так, при раздаче конусом трубы выдерживают увеличение наружного диаметра до 20−25%. При этом разрушение происходит преимущественно по основному металлу вдали от шва и зоны термического влияния. Трубы выдерживают сплющивание до соприкосновения стенок. Стабильность получаемого качества сварного шва при двухрадиусной калибровке валков формовочного стана выше, чем при однорадиусной. Это объясняется лучшей формовкой трубной заготовки в районе кромок.

При отсутствии фильтра в анодной цепи генераторной лампы значительная амплитуда колебаний выпрямляемого напряжения приводит в ряде случаев к получению не проваренных участков. Установка фильтра позволяет получать трубы с хорошо проваренным по длине швом.

Размеры и форма внутреннего грата при радиочастотной сварке определяется тепловым режимом сварки и давлением в сварочном узле. По внешнему виду различают сплошной каплевидный грат; каплевидный прерывистый; сплошной трапециидального сечения.

Сплошной каплевидный грат получается при сравнительно низких скоростях сварки (38−40 м/мин) и едко при более высоких скоростях. Высота его колеблется в пределах 0,3−0,45 мм.

При скоростях сварки более 0,75 м/сек (45 м/мин) наиболее характерен прерывистый каплевидный грат высотой 0,3 мм. При этих же скоростях реже наблюдается грат трапециидального сечения высотой до 0,15 мм. Во всех случаях грат более или менее оплавлен.

Результаты технологических испытаний труб, и металлографических исследований показывают, что качество труб, сваренных токами радиочастоты, выше, чем при сварке труб методом сопротивления и приближается к качеству бесшовных труб.

Имея в виду, что данное оборудование должно быть приспособлено к частой смене выпускаемых труб или профилей, а также значительную длину тонкостенной ленты в рулоне, считаем, что в основном данного типа станы должны иметь прерывистый технологический процесс с остановкой на время стыковки концов рулона.

Однако, это не исключает возможность при больших объемах однотипных профилей (труб) создание станов с непрерывным технологическим циклом.

Прежде чем перейти к составу оборудования собственно стана необходимо отметить, что в объем данной работы не входит оборудование для подготовки рулонов соответствующей ширины, т. е. агрегат продольной резки.

Постоянно расширяющийся рынок различных изделий из тонколистового металла требует создания высокоманевренного оборудования для разделки широкополосового проката на ленты различной ширины. Агрегаты продольной резки предназначены для порулонной обработки в холодном состоянии широкополосового проката из различных металлов включающей операции разматывания рулонов, обрезки боковых кромок, разрезки полосы исходной ширины на более узкие полосы мерной ширины, смотки их в рулоны заданного размера, обвязки по образующей и выдачи порезанных рулонов из зоны агрегата.

Планируемое на стане производство особотонких профилей (труб) требует получения на агрегатах продольной резки получения мерной заготовки особой точности (0,02 мм) и без заусенцев.

В настоящее время в России нет агрегатов продольной резки, отвечающих повышенным требованиям к точности исходной заготовки для трубосварочного стана.

3. Состав оборудования стана

Рис. 7. Состав оборудования ТЭСА 10−20

На рис. 7 представлена схема расположения оборудования ТЭСА 10−20. В ее состав входят:

1. Двухпозиционный разматыватель ленты, состоящий из позиции подготовки рулона к размотке и позиции его размотки в линии стана.

Максимальный наружный диаметр рулона ленты, мм до 1600

Внутренний диаметр рулона, мм 250

2. Машина для точечной сварки предназначена для сварки концов рулона из нержавеющей стали, цветных металлов и сплавов.

Ширина ленты, мм 30…70

Толщина ленты, мм 0,15…0,1

В составе машины должны быть гильотинные ножницы для обрезки концов рулонов.

3. Клеть для перфорации ленты.

4. Формовочно-сварочный стан

Формовочно-сварочный стан предназначен для формовки трубной заготовки, ее сварки и снятия наружного грата.

Формовочный стан состоит из 7 двухвалковых горизонтальных приводных клетей и одной неприводной. Неприводная горизонтальная клеть предназначена при необходимости для нанесения на формуемую ленту перфорационных отверстий и меток. Часть горизонтальных клетей с открытым калибром, остальные с закрытым.

Между семью горизонтальными клетями расположены шесть вертикальных неприводных клетей.

Привод клетей осуществляется через карданные валы от общей шестеренной клети и далее от регулируемого электродвигателя.

Сварочный участок состоит из клети шовонаправляющей, шовосжимающей клети и наружного гратоснимателя. Регулируемая шовонаправляющая клеть оснащена для направления шлицованной трубной заготовки минералокерамическим ножом. Для снижения вибрации заготовки в районе шовонаправляющей клети необходимо снабдить виброгасителем.

Далее идет шовосжимающая клеть, куда попадает трубная заготовка, разогретая до сварочной температуры индуктором от высокочастотной установки. Валки шовосжимающей клети должны быть настроены на регламентированное сварочное давление, создаваемое упругим элементом.

Наружный гратосниматель оснащен механизмом отвода резцов при аварийной остановке и двумя направляющими клетями.

Профилировочный стан состоит из 4-х универсальных клетей с приводными горизонтальными валками и парой вертикальных неприводных валков. Горизонтальные валки через карданы приводятся во вращение от общей шестеренной клети и далее от регулируемого электродвигателя.

Кроме того в состав профилировочного стана входят две четырехвалковые правильные клети.

Универсальная клеть монтируется на раму профилировочного стана без рабочих инструментов, т. е. валков. Для монтажа валков по оси прокатки натягивается стальная проволока, по которой выставляются валки в соответствии с калибровкой. Перемещение валков относительно струны осуществляется с помощью направляющих винтов. В конструкции универсальной клети их предусмотрено пять единиц. Два винта (поз. 24) отвечают за перемещение верхнего, нижнего и левого валков в горизонтальной плоскости (влево — вправо), два винта (поз. 26) — за перемещение в вертикальной плоскости. Винт под поз.25 отвечает за перемещение правого валка в вертикальной плоскости Регулировка положения валков осуществляется вручную.

Элементы универсальной клети не испытывают больших нагрузок. При проектировании клети учитывались не только конструкторские требования и особенности, но и эргономические. Поэтому ряд элементов клети имеют большой запас прочности.

Выполним расчет подшипников универсальной клети профилировочного стана.

P=700 H

Ft=606 H

Fr=220 H

Py=Px=P sin 45°=495 H

N=320 об/мин

T=39.2 Hм

Силы в зацеплении

Окружная: Ft=2*103T/d1=606H

Радиальная: Fr=Ft*tg20°=220H

Определим реакции в опорах

Наиболее нагруженной является опора В.

Поэтому все расчеты в последующем ведем по опоре В.

Требуемы ресурс при вероятной безотказности работы 90%:

L10ah=20 000 часов

Поскольку подшипники работают при n>10 мин-1, то принимаем их по динамической грузоподъемности, рассчитывая их ресурс при требуемой надежности.

Подшипники приняты шариковые радиально-упорные, поставленные в распор.

Подшипниковый узел опоры образуют два одинаковых радиально-упорных однорядных шарикоподшипника, которые рассматриваем как один двухрядный подшипник, нагруженный силой Fr=RB.

Для типового режима нагружения III коэффициент эквивалентности Ke=0.56.

Эквивалентная нагрузка на опору:

Назначенные шариковые радиально-упорные подшипники легкой серии 26 203.

С углом контакта ?=12°

Cor=3400 H

Cr=5580 H

Для комплекта из двух подшипников имеем

Осевое усилие отсутствует Fa=0

Эквивалентная динамическая нагрузка

V=1, т.к. вращается внутреннее кольцо подшипника

X=1

Kб=2 — коэффициент нагрузки

KT=1.05 — температурный коэффициент.

Pr=985H

Определим скорректированный по уровню надежности и условиям применения расчетный ресурс подшипников

где a1 — коэффициент долговечности в функции необходимой надежности

a23=0.7 — коэффициент, характеризующий совместное влияние на долговечность особых свойств материала деталей подшипника и условий его эксплуатации

К=3 — показатель степени для шариковых подшипников

L10ah=23 000 часов > требуемого L =20 000 часов.

Расчет шпоночного соединения

В соединении диаметром d1=14 мм принята призматическая шпонка шириной b=5 мм, длиной L=20 мм.

Выбранную шпонку проверяем на смятие:

Шпонка изготовлена из чистотянутой стали 45.

Ступица и вал увеличены и закалены.

Допускаемое напряжение

k=2.3 мм — глубина врезания шпонки в ступицу

h=5 мм — высота шпонки по ГОСТ 8788–78

lp — рабочая длина шпонки

В соединении диаметром d2=25 мм принята призматическая шпонка шириной b=8мм, длиной L=22 мм.

Ступица выполнена из чугуна, шейка вала улучшена.

Сварочный участок. Холодильник.

Холодильник оснащен коллектором с 6 соплами. Труба, попадая в холодильник, подвергается орошению струёй технической воды, подаваемой через сопла. Время нахождения трубы в холодильнике составляет около 2 сек. Это время, за которое труба охлаждается до температуры, не вызывающей разогрев клетей профилировочного стана. На выходе из холодильника труба подвергается обдуву сжатым воздухом с целью сушки.

Исходные данные для расчета охлаждающей жидкости в холодильнике

Вес одного погонного метра трубы:

Количество тепла, отводимое при охлаждении тела трубы с разностью температуры на входе и выходе из холодильника:

количество воды (mв), необходимое для одномоментного поглощения тепла, выделяемого при охлаждении трубы от 3000С до 500С При этом:

Своды при 200С, ккал/кг.град 1,004

Температура воды на входе в холодильник, 0С 25

Температура воды на выходе из холодильника, 0С 50

Время нахождения трубы в холодильнике (t)

Расход воды, необходимый для охлаждения тела трубы Стан профилировочный Профилировочный стан предназначен для калибровки труб (круглых, овальных), а также для профилирования квадратных прямоугольных труб и специальных замкнутых профилей.

Профилировочный стан состоит из 4-х универсальных клетей с приводными горизонтальными валками и парой вертикальных неприводных валков. Горизонтальные валки через карданы приводятся во вращение от общей шестеренной клети и далее от регулируемого электродвигателя.

Кроме того в состав профилировочного стана входят две четырехвалковые правильные клети.

Максимальное усилие в приводных клетях формовочного и профилировочного станов, кг 70

Максимальный суммарный крутящий момент на формовочном стане, кгм 4

Максимальный суммарный крутящий момент на профилировочном стане, кгм 4

Пила летучая предназначена для порезки «бесконечной» трубы (профиля) на мерные длины на скорости до 80 м/мин.

Состоит из каретки, перемещающейся по направляющим со скоростью движения трубы и привода перемещения каретки. При совмещении скорости движения трубы и каретки, также захватов трубы происходит порезка профиля (трубы) режущим инструментом (фреза 0 250 мм).

Сортамент разрезаемых профилей:

Прямоугольные трубы, мм 10×5…20x8

овальные трубы, мм 13×2,2…25x3

круглые трубы, мм 10…20

Толщина стенки труб, мм 0,15…0,5

Точность порезки, мм до 15

В состав летучей пилы входит также устройство для ускорения

отрезанной трубы и создания разрыва между двумя разрезанными трубами

перед сбросом их в карманы.

Участок уборки труб Участок уборки труб предназначен для сбора отрезанных труб в карманах для готовых труб и профилей.

Сварочное устройство СВЧ.

Электрооборудование и автоматизация Должна быть предусмотрена синхронизация скоростей формовочного, профилировочного станов и летучей пилы.

Стан должен быть оснащен пультами и шкафами управления, с различными режимами работы всех приводов.

Система охлаждения Стан должен быть оснащен системой подачи воды для холодильника и машин, требующих охлаждения.

Позиции 11 и 12 на рис. 7 не показаны.

Для разматывания ленты на стане ТЭСА 10−20 используется двухпозиционный разматыватель. В обычных условиях при размотке полосы наиболее трудным является отгибание конца ленты, чтобы захватить его подающими роликами и начать процесс разматывания. В данном случае процесс отгибания конца ленты ведется вручную.

Предварительно рулон ленты устанавливают на разматыватель полосы так, чтобы заусенцы на кромках полосы при формовке располагались внутри трубной заготовки, закрепляют и подают передний конец рулона через щелевую проводку к 1-й горизонтальной клети формовочного стана.

Рулон должен разматываться плавно, с небольшим натяжением, которое регулируется подпружиненным тормозом, установленным на валу разматывателя. Это противодействует образованию петли. Внутри барабана разматывателя предусмотрено устройство для увеличения (уменьшения) диаметра барабана в пределах 240…255 мм.

После того как произошла полная размотка первого рулона, разматыватель разворачивается вручную и происходит подача конца второго рулона ленты. При развороте поворотная часть корпуса разматывателя упирается в упор, который предварительно настроен на ось прокатки.

Размотка ведется со скоростью до 80 м/мин, максимальный диаметр рулона до 1600 мм, ширина полосы до 80 мм, масса рулона, мах 1000 кг.

Для расчета и подбора подшипников по грузоподъемности необходимо определить силу натяжения полосы, которая возникает при ее разматывании и создает крутящий момент.

Крутящий момент состоит из момента пластичности Мпл, который характеризует разматываемую полосу, момента эксцентриситета Мэксц и момента трения Мтр.

к1=1,5 — коэффициент пластичности;

— статический момент сопротивления деформации;

В=80 мм — максимальная ширина полосы;

=0,4 мм — толщина полосы.

— предел текучести материала (АМц).

Н мм 0,3 Н м

Н м

— масса рулона;

— эксцентриситет.

— коэффициент трения в подшипниках;

— средний радиус подшипника

— нагрузка, приложенная к валу барабана разматывателя, которая включает в себя и вес барабана с рулоном.

Н м

Н м Сила натяжения

Н

— минимальный радиус рулона.

Наиболее нагруженной является опора В.

Предварительно назначаем подшипник роликовый цилиндрический серии № 3514.

Со=95 600 Н С=68 100 Н.

Эквивалентная нагрузка

V=1 — коэффициент вращения кольца подшипника (вращение внутреннего кольца)

X=1 — коэффициент осевой нагрузки

Kб=1,3 — коэффициент безопасности КТ=1 — температурный коэффициент Ресурс долговечности

V=20м/мин — скорость размотки полосы

t=10 000 часов.

68 100 Н Окончательно назначаем подшипник серии № 3514 радиальный двухрядный цилиндрический с коэффициентом запаса по грузоподъемности

.

4. Краткое описание технологического процесса

В общем виде технологический процесс трубоэлектросварочного стана включает разматывание рулона, формовку ленты, сварку, калибрование или профилирование, порезку на мерные длины, уборку труб в карманы.

Сварка трубы выбрана высокочастотная с индукционным подводом.

Данный тип сварки обеспечивает наивысшую производительность, широкую возможность автоматизации, позволяет упростить и сократить технологический процесс, исключает использование быстроизнашивающихся токоподводящих деталей.

Технологический процесс осуществляется в следующей последовательности.

Нарезанную ленту в рулонах поочередно загружают на барабаны двухпозиционного разматывателя. На позиции подготовки рулона рабочий устанавливает рулон ленты на барабан разматывателя с тем, чтобы в позиции размотки центр ленты соответствовал оси стана, закрепляет рулон на барабане, снимает обвязочную ленту и устанавливает наружный ограничитель рулона. С позиции размотки ленту подводят к сварочной машине, отрезают передний конец и стыкуют ее с обрезанным задним концом размотанного рулона. Из сварочной машины лента направляется в формовочно-сварочный стан. При необходимости перфорирования профиля включается в работу клеть для перфорации, затем клети с открытыми и закрытыми калибрами. Валками формовочного стана лента превращается в цилиндрическую трубную заготовку с продольной щелью между кромками. Далее трубная заготовка проходит шовонаправляющую клеть с минералокерамическим ножом. Далее трубная заготовка проходит через высокочастотный кольцевой индуктор, где кромки заготовки разогреваются до сварочной температуры и затем сдавливаются в валках шовообжимной клети встык. Выдавленный на месте стыка наружный грат удаляют резцом гратоснимателя, заглаживают это место валками гладильно-направляющей клети. Сваренная труба со снятым наружным гратом направляется в холодильник, где охлаждается до температуры, не вызывающей разогрев клетей профилировочного стана. Охлажденная труба направляется в профилировочный стан, где в универсальных 4-х валковых клетях принимает требуемую форму профиля (или окончательно калибруется труба). Далее труба (профиль) правится в двух четырехвалковых правильных клетях, разрезается на летучей пиле и поступает в приемные карманы.

Для расчета профилей калибров технологического инструмента (валков) трубоэлектросварочного стана в настоящее время используют в основном два типа калибровок: однорадиусную и двухрадиусную.

При использовании 1 типа калибровки профили валков выполняют одним радиусом, размер которого уменьшают от клети к клети по ходу формовки.

При всей простоте проектирования и изготовления валков по 1 типу калибровки ее использование в производстве труб малого диаметра не обеспечивает необходимую выформовку кромок ленты и не гарантирует бездефектное сварное соединение.

В связи с этим наибольшее распространение в трубосварочном производстве получил П тип калибровки — двухрадиусная калибровка технологического инструмента. Ее использование полностью соответствует целям производства высокоточных труб малого диаметра, что позволит получать в профилировочном стане наиболее точных по геометрическим параметрам профилей.

5. Расчет калибровки и энергосиловых параметров

При разработке технологического инструмента формовочного стана с использованием двухрадиусной калибровки учитывают следующее:

— двухрадиусная калибровка необходима только для технологического инструмента (валков) формовочного стана;

— формовку трубной заготовки осуществляют в открытых и закрытых калибрах, образованных попарно расположенными горизонтальными и вертикальными валками формовочного стана;