УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СТЫКОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Полезная модель относится к области механической обработки материалов, а именно к отделочно-упрочняющей, и может быть использована в различных отраслях машиностроения и при прокладке труб большого диаметра в холодном состоянии.
Известно устройство для упрочняющей обработки поверхностей деталей, содержащее корпус с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней и регулируемый нажимной механизм в виде плунжера с распределительным элементом, выполненным в виде шариков с диаметром, соизмеримым с диаметром стержней (см. SU № 1230808 A1, кл. В 24 В 39/04, бюл. № 18, 15.05.1986).
Известно устройство для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков металлических труб большого диаметра, содержащее корпус, выполненный в виде разъёмной обоймы, зачистное устройство в виде металлической щётки, многоконтактный виброударный инструмент с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней, диаметрально расположенные в указанном корпусе, который установлен на ролики тележки и выполнен с возможностью кругового перемещения относительно свариваемых труб за счёт зубчатой передачи, а тележка выполнена с возможностью продольного перемещения относительно оси свариваемых труб (см. патент RU №152028, МПК В24В 39/00, бюл. №12, 27.04.2015г.).
Наиболее близким аналогом является устройство для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков металлических труб большого диаметра, cодержащее корпус, выполненный в виде разъёмной обоймы, зачистное устройство в виде металлической щётки, многоконтактный виброударный инструмент с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней, диаметрально расположенных в указанном корпусе, который установлен с помощью каретки на ролики тележки и выполнен с возможностью кругового перемещения относительно оси свариваемых труб за счёт зубчатой передачи и совершения дополнительных колебательных перемещений, параллельных оси свариваемых труб, с помощью кулачка, соединённого через коническую передачу с зубчатой передачей, и возвратной пружины (см. патент RU №163172 U1,  МПК В24В 39/00, 10.07.2016, бюл. №19,).
Признаками наиболее близкого аналога, совпадающими с признаками заявляемой полезной модели, являются корпус, выполненный в виде разъёмной обоймы, зачистное устройство в виде металлической щётки, многоконтактный виброударный инструмент с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней, диаметрально расположенные в указанном корпусе, который установлен с помощью каретки на ролики тележки и выполнен с возможностью кругового перемещения относительно оси свариваемых труб за счёт зубчатой передачи и совершения дополнительных колебательных перемещений, параллельных оси свариваемых труб, с помощью кулачка, соединённого через коническую передачу с зубчатой передачей, и возвратной пружины.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является низкое качество сварного шва, вызванное неравномерным упрочнением материала сварного стыка и околошовной зоны вследствие пульсирующего воздействия на него виброударного инструмента, а также разрушение каретки из-за прямого воздействия на неё кулачка.
Технический результат полезной модели состоит в повышении качества сварного шва и устранения разрушения каретки из-за прямого воздействия на неё кулачка.
с.ш.
Технический результат достигается тем, что на боковой стенке каретки вмонтирована сменная опора, имеющая силовое замыкание с кулачком эллипсоидальной формы, у которого соотношение между большим D и малым d диаметрами определяется из зависимости D:d = 1 + где В– ширина сварного шва, мм.
с.ш.
Сущность полезной модели заключается в том, что  устройство для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков металлических труб большого диаметра, cодержащее корпус, выполненный в виде разъёмной обоймы, зачистное устройство в виде металлической щётки, многоконтактный виброударный инструмент с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней, диаметрально расположенные в указанном корпусе, который установлен с помощью каретки на ролики тележки и выполнен с возможностью кругового перемещения относительно оси свариваемых труб за счёт зубчатой передачи и совершения дополнительных колебательных перемещений, параллельных оси свариваемых труб, с помощью кулачка, соединённого через коническую передачу с зубчатой передачей, и возвратной пружины, а на боковой стенке каретки вмонтирована сменная опора, имеющая силовое замыкание с кулачком синусоидальной формы, у которого соотношение между большим D и малым d диаметрами определяется из зависимости D:d = 1 +, где В– средняя ширина сварного шва, мм.
с.ш.
с.ш.
с.ш.
Величина дополнительных колебательных перемещений каретки  устройства параллельно оси свариваемых труб  с установленной на ней разъёмной обоймой, на которой закреплены металлическая щётка  и многоконтактный виброударный инструмент, принята равной (3,0 – 3,25)В в связи с тем, что упрочняющая обработка вдоль оси сварного шва осуществляется не только сварного шва шириной В, но и двухсторонней околошовной зоны, длина каждой из которой составляет не менее средней ширины сварного шва В(см. «Технология конструкционных материалов»: учебник для вузов. Под редакцией А.М. Дальского. – М.: Машиностроение, 1977. – Стр. 346 – 347).
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на
фиг. 1 общий вид устройства для комбинированной  упрочняюще обработки сварных стыков металлических труб большого диаметра;
фиг. 2 – разрез А – А устройства;
фиг. 3 – разрез Б – Б устройства.
кр
Устройство для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков металлических труб большого диаметра состоит из корпуса 1, выполненного в виде разъёмной обоймы, зачистного устройства 2 в виде металлической щётки и многоконтактного виброударного инструмента 3, диаметрально расположенных и закреплённых в корпусе 1. Корпус 1 опирается на ролики 4, установленные на каретке 5, и получает круговую подачу S от зубчатой передачи, состоящей из ведомого колеса 6 и ведущего колеса 7, соединённого с электродвигателем (на чертежах не показан), а также имеет возможность совершать по направляющим тележки 8 дополнительные колебательные перемещения, параллельные оси свариваемых труб 9, за счёт кулачка эллипсоидальной формы 10, находящегося в силовом контакте со сменной опорой 11, вмонтированной в боковую стенку каретки 5, и возвратной пружины 12. Ведомое колесо 6 соединено с конической передачей 13, благодаря которой вращение передаётся кулачку 10. Перемещение тележки 8 вдоль оси свариваемых труб 9 от стыка к стыку осуществляется при помощи роликов 14. Для удобства эксплуатации устройства обойма 1 выполнена разъёмной; в рабочем состоянии обойма 1 замыкается при помощи стыкового винта 15. Подача сжатого воздуха к зачистному устройству 2 и виброударному инструменту 3 осуществляется шлангами 16 и 17.
кр
кр
Устройство работает следующим образом. Корпус 1 в виде обоймы, расположенный в каретке 5, установленной на тележке 8, перемещается вдоль оси свариваемой трубы 9 до места расположения сварочного шва, фиксируется в этом положении и с помощью зачистного устройства 2 и многоконтактного виброударного инструмента 3, установленных диаметрально в обойме 1, осуществляет одновременную зачистку и упрочнение сварного шва и околошовной зоны, поворачиваясь вокруг оси трубы с круговой подачей S. Величина круговой подачи S обоймы 1 устанавливается передаточным отношением зубчатих колёс 6 и 7. Конструктивные исполнения многоконтактного инструмента 3 с деформирующими элементами в виде цилиндрических стержней даны в работе (см. Бабичев А.П., Мотренко П.Д., Аксёнов В.Н. и др. «Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом». – Ростов-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2003. – 192 с.).  Шлангами 16 и 17 сжатый воздух от передвижного (полевого) компрессора подаётся к зачистному устройству 2 и виброударному инструменту 3. Одновременно каретке 5, установленной на направляющих тележки 8, от кулачка 10, имеющего эллипсоидальную форму, через сменную опору 11, вмонтированную в боковую стенку каретки 5, сообщаются дополнительные колебательные перемещения, параллельные оси свариваемых труб 9. Эти колебательные перемещения передаются корпусу 1, на котором закреплены диаметрально расположенные зачистное устройство 2 и многоконтактный виброударный инструмент 3. В результате повышается качество сварного шва вследствие синусоидального (волнового) воздействия на него упрочняющего инструмента и устраняется разрушение каретки 8 из-за прямого воздействия на неё кулачка 10. При этом обойма 1 делает не менее двух оборотов вокруг оси свариваемой трубы и останавливается в исходном положении. Наличие в обойме 1 разъёмного стыка в виде винта 15 обеспечивает удобный подвод и отвод устройства и последующее его перемещение (перекатывание) от стыка к стыку на роликах 14.
После обработки сварного шва и околошовной зоны свариваемой трубы устройство при помощи каретки 8 с расположенным на ней корпусом 5 перемещается к следующему свариваемому шву. Рекомендуется обработку проводить с частотой сообщаемых цилиндрическим стержням ударных импульсов 50…70 Гц и энергией 25 Дж при многопроходном (не менее двух) перемещений инструмента 3 вдоль зоны стыка свариваемой трубы, подвергаемой упрочнению и защите от коррозии.
с.ш.
с.ш.
z
кор
св.ш
.
Проведены лабораторные испытания специальных образцов из стали 20ХН размерами LхBхH = 120х50х8 мм, которые подвергались стыковой электродуговой сварке с последующей комбинированной упрочняющей обработкой сварного стыка и околошовной зоны. Средняя ширина сварного шва составила В = 8мм. Для комбинированной упрочняющей обработки образцы устанавливались на магнитном столе, которому от эллипсовидного кулачка с диаметрами D = 148мм и d = 100мм сообщались дополнительные колебательные движения с амплитудой 3В = 24мм. В качестве упрочняющего многоконтактного инструмента использовался шарико-стержневой упрочнитель, описание которого приведено в работе Бабичева А.П., Мотренко П.Д., Аксёнова В.Н. и др. «Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом». – Ростов-на-Дону: Изд-во ДГТУ, 2003. – 192 с. При испытании образцов определялись неравномерность упрочнения по величине разброса твёрдости ΔHRC по поверхности сварного шва и шероховатость поверхности по параметру R. Испытания сварных швов и околошовной зоны проводились на коррозионную стойкость Т путём размещения испытываемых образцов в морской воде с концентрацией в ней солей 20 – 25 мг/л до появления сплошной коррозионной плёнки на сварном шве и околошовной зоне и прочность σ на разрыв по стандартной методике.
z
кор.
св.ш
Результаты испытаний сварных стыков по десяти испытанным стальным образцам приведены в таблице 1, анализ которой свидетельствует о снижении разброса твёрдости материала сварного шва ΔHRC при использовании предлагаемого устройства по сравнению с упрочняющей обработкой по прототипу (см. патент РФ на полезную модель №163172, МПК В24В 39/00, бюл. №19, 2016г.) на 28 – 35%, уменьшении параметра шероховатости R на 20 – 25%, увеличении коррозионной стойкости Т в 1,2 – 1,3 раза и увеличении прочности сварного шва σ на 8 – 15%.
с.ш.
кор
св.ш
.
Выполнены производственные испытания двух видов устройств для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков стальных труб диаметром 80 см: с использованием устройства по прототипу (см. патент РФ на полезную модель №163172, МПК В24В 39/00, бюл. №19, 2016г.) и предлагаемого устройства для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков металлических труб большого диаметра. При средней ширине сварного шва В = 20 мм использовался эллипсовидный кулачок, имеющий большой диаметр D = 220мм и малый диаметр d = 100мм. Эксплуатационные испытания сварных стыков труб проводились на коррозионную стойкость Т путём размещения части их в морской воде с концентрацией солей 20 – 25 мг/л до появления сплошной коррозионной плёнки на сварном шве и околошовной зоне и прочность σ на разрыв по стандартной методике.
кор
св.ш
Результаты испытаний по пяти образцам сварных стыков труб приведены в таблице 2, из анализа которой следует, что использование предлагаемого устройства при зачистке и упрочнении сварного шва и околошовной зоны стыков труб большого диаметра в холодном состоянии позволяет увеличить коррозионную стойкость стыков сварного соединения Т в 1,3 – 1,5 раза и повысить их прочность σ до 20% без нарушения общего технологического процесса сваривания металлических труб большого диаметра и независимо от их длины.
Таблица 2
Результаты сравнительных испытаний устройств для комбинированной упрочняющей обработки сварных стыков металлических труб диаметром 80 см
Устройство по прототипу
Предлагаемое устройство
№трубы
Т<sub>кор.</sub>, час
σ<sub>св.ш.</sub>, МПа
№трубы
Т<sub>кор.</sub>, час
σ<sub>св.ш.</sub>, МПа
1.
23,7
205
1.
32,5
240
2.
21,4
195
2.
33,8
230
3.
23,5
215
3.
36,4
245
4.
21,3
190
4.
34,6
235
5.
20,4
210
5.
35,2
245