Дипломная (вкр): Разработка технологического процесса и оборудования для изготовления особо тонких сварных труб

Разработка технологического процесса и оборудования для изготовления особо тонких сварных труб

Введение

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

. 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 Æ13е8 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:

) Диаметральная точность

Поверхности:

IT8 Æ 13е8 Ra 1,6;

IT8 Tr16x2Lh-8c Ra 3.2;

Остальные поверхности по IT14

) Линейные размеры:

-0.12 Ra 6.3;

-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 Æ16 мм.

Выбор метода получения заготовки определяется следующими критериями:

а) Размеры и конструктивная форма заготовки. Максимальный размер наружной поверхности - Æ16 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 Æ20мм ГОСТ 7417-88 40Х ГОСТ1050-88

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:

…2 квалитета на стадиях окончательной и чистовой обработки;

…3 квалитета на стадиях предварительной обработки.

Учитывая это, составим маршрут обработки следующих основных поверхностей:

Æ 13е8 Ra 1,6;x2-8c Ra 3.2;x2Lh-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.