Устройство для волочения труб с радиальными ультразвуковыми колебаниями

Полезная модель относится к технологии обработки металлов давлением с применением ультразвука при волочении и может быть использована при изготовлении труб, например, труб из нержавеющих сталей.
Применение известных методов волочения не обеспечивают повышенные требования к качеству труб. Так, например, шероховатость поверхности не отвечает современным требованиям парогенераторных труб для атомных реакторов, изготавливаемых из нержавеющих сталей. Возникающие в процессе волочения остаточные напряжения при упрочнении нержавеющей стали из-за недостаточной пластичности и внутренние дефекты тела трубы приводят к высокому расходному коэффициенту металла.
Уровень техники
Известно устройство для волочения труб с применением ультразвуковых колебаний инструмента (А.С. СССР №458357, МКИ В21С 1/24, опубл. 30.01.1975). Устройство включает расположенные на общей оси волоку, оправку и магнитострикционный преобразователь, образующие в совокупности с деформируемым изделием замкнутую колебательную систему, в которой в качестве усилителя ультразвуковых колебаний использована концентричная полость экспоненциального сечения на свободном конце оправки, входящем в волоку и открытая в сторону волочения.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность ультразвукового воздействия на зону деформирования. Магнитострикционный преобразователь имеет низкий КПД (20-25%). Этот преобразователь по данному техническому решению монтируется на оправке, размещенной в полости трубы. Мощности такой системы не достаточно для эффективного воздействия на очаг деформации.
Известно также устройство для волочения материала с применением ультразвуковых колебаний (А.С. СССР №668732, МКИ В21С 3/30, опубл. 25.06.1977). Устройство предназначено для волочения материала с применением ультразвуковых колебаний через две волоки, включающее источники для подвода продольных ультразвуковых колебаний к первой волоке и для подвода радиальных колебаний ко второй волоке.
Волочение через две волоки производится в противоположных направлениях, для чего необходимо применять волочильный стан, состоящий из двух механизмов волочения. Соответственно, требуется в два раза больше энергии для обеспечения усилия волочения и усложняет конструкцию волочильного стана. Мощность источников продольных и радиальных ультразвуковых колебаний ограничена двумя магнитострикционными преобразователями, поэтому, как показано на иллюстрации к описанию изобретения, возможно волочение изделий только малого диаметра.
Кроме того, из-за сложностей согласования радиальной и продольной систем подвода ультразвука эффективность такого устройства не высокая.
Наиболее близким аналогом является устройство для волочения труб с применением радиальных ультразвуковых колебаний (патент РФ №2271889, В21С 1/22, опубл. 20.03.2006).
Устройство, включающее волокодержатель в виде стержня со сквозной осевой полостью, волоку, установленную в полости волокодержателя, и источник радиальных ультразвуковых колебаний, который своей рабочей поверхностью жестко закреплен на внешней поверхности волокодержателя и установлен так, что охватывает волоку. Устройство дополнительно снабжено вторым источником радиальных ультразвуковых колебаний, закрепленным на внешней поверхности волокодержателя, и второй волокой, установленной в полости волокодержателя на одной оси с первой волокой. Источники радиальных ультразвуковых колебаний выполнены в виде магнитострикционных и/или пьезокерамических преобразователей.
Недостатком данного технического решения является то, что применение двух волок не снижает усилие волочения, поскольку для повышения степени деформации через две и более волок потребует того же усилия волочения и затрат энергии как для обеспечения той же степени деформации при волочении через одну волоку. Поэтому при увеличении степени деформации путем волочения через две волоки неизбежно приводит к обрыву трубы.
Жесткое закрепление волокодержателя приводит к низкой точности геометрических размеров трубы (саблевидность, разностенность, эллипсность, волнистость поверхности после волочения).
Существенным недостатком известного технического решения также является применение раздельной подачей на две волоки ультразвуковых колебаний. Волоки имеют разные диаметры. Источники подают ультразвук с одинаковыми параметрами. Следовательно, система не будет работать эффективно, так как она не обеспечивает синхронности и синфазности ультразвуковых колебаний. Попытки увеличить мощность ультразвуковой энергии приводят к «глушению» ультразвуковых колебаний на одной из волок и в условиях резонанса может работать только одна волока, что значительно снижает эффективность ультразвукового воздействия на пластическую деформацию при волочении трубы.
Отмеченные недостатки приводят к снижению КПД устройства на 40-50% и не улучшают качество труб после волочения по геометрическим параметрам.
Задачи, стоявшие перед авторами настоящей полезной модели, заключались в повышении эффективности воздействия ультразвука на очаг деформации при волочении за счет снижения потерь и максимальной концентрации ультразвуковых колебаний в очаге деформации при волочении труб и повышение качества труб после волочения за счет плавающего крепления волокодержателя с ультразвуковыми преобразователями и волокой, повышения КПД на 40-50%, улучшение качества труб за счет повышения точности геометрических параметров и снижения шероховатости поверхности. Последнее обстоятельство способствует улучшению служебных характеристик труб.
Технический результат полезной модели - повышение эффективности передачи ультразвуковых колебаний в очаг деформации при волочении труб за счет снижения потерь и максимальной концентрации ультразвуковых колебаний в очаге деформации при волочении труб и повышение качества труб после волочения за счет плавающего крепления волокодержателя с ультразвуковыми преобразователями и волокой, повышения КПД на 40-50%, улучшение качества труб за счет повышения точности геометрических параметров и снижения шероховатости поверхности.
Указанный технический результат в устройстве для волочения труб с радиальными ультразвуковыми колебаниями достигается использованием волокодержателя, волоки, установленную в полости волокодержателя, источника радиальных ультразвуковых колебаний выполненного в виде пьезокерамических преобразователей и волокодержателя выполненного в виде диска, имеющего резонансные размеры, на периферии которого смонтированы пьезокерамические преобразователи, а диск подвешен на пружинах с возможностью перемещения при смещении оси волочения трубы, внутрь волоки помещена оправка для формообразования внутренней поверхности трубы, резонансный диск выполнен с размерами кратными четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале диска, на диске смонтированы упоры с длиной кратной четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале упоров, а упоры имеют сферические контактирующие поверхности, оправка для формообразования внутренней поверхности трубы также выполнена с резонансными размерами кратными четверти длины ультразвуковой волны, распространяемой в материале оправки.
Существо полезной модели поясняется следующим чертежом.
Фиг. 1. Устройство для волочения труб с радиальными ультразвуковыми колебаниями.
Элементы предлагаемого устройства в тексте описания и на чертеже обозначены следующими номерами.
Изображенное на фиг. 1 устройство состоит из кронштейна 1, со смонтированной подвеской 2, на которую с помощью пружин или других гибких элементов 3 подвешен волокодержатель в виде дискового волновода 4. На периферии дискового волновода 4 установлены пьезоэлектрические преобразователи 5, внутри его смонтирована волока 6, а на торце смонтированы упоры 7. Внутрь волоки помещается заготовка трубы 8 и оправка 9 в случае волочения на оправке. На эпюрах 10 представлено распространение ультразвуковых волн в материалах дискового волновода 4, упора 7 и оправки 9. Кронштейн 1 монтируется на основании волочильного стана 11. Источником ультразвуковых колебаний служит ультразвуковой генератор 12.
Пример использования предлагаемого устройства.
Устройство для волочения труб с радиальными ультразвуковыми колебаниями работает следующим образом.
Изображенное на фиг. 1 устройство оснащается волокой 6, в которую заводится трубная заготовка 8, внутри ее устанавливается оправка 9. При безоправочном волочении оправка отсутствует. Передний конец трубной заготовки 8 зажимается с помощью тисков волочильного устройства (на рисунке не показаны). Включается ультразвуковой генератор (УЗГ) 12, ультразвук через преобразователи 5, волокодержатель в виде дискового волновода 4 и волоку 6 передается в очаг деформации при волочении трубной заготовки 8, включается перемещение волочильного устройства и происходит процесс волочения. При этом усилие волочения снижается за счет снижения сил трения и повышения подвижности дислокаций под воздействием ультразвуковых колебаний.
Затем подается следующая трубная заготовка и цикл повторяется.
Смещение оси трубной заготовки 8 при волочении компенсируются плавающей системой подвешенного на пружинах 3 волокодержателя в виде дискового волновода 4 и упоров 7 со сферическими элементами.
При реализации изобретения КПД устройства повысилось на 40-50% в зависимости от диаметра трубы (чем меньше диаметр, тем больше эффективность) за счет использования более эффективных элементов ультразвуковой колебательной системы с использованием ультразвукового генератора 12, пьезоэлектрических преобразователей 5 и дискового волновода 4. Снижение брака по геометрическим параметрам за счет использования плавающей системы составляет 8%.