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

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 Æ2 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 Æ16мм.

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 10-0,12мм

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:

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

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

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

. 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 5000°С/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).