СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ТРУБЫ И МАТРИЦА
METHOD OF MAKING STEEL PIPE AND MATRIX

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления стальной трубы и матрице для использования в способе изготовления стальной трубы.
Уровень техники
Способы UOE-формования широко используются для формования стальных труб. В способах UOE-формования стальной лист сначала подвергают обработке давлением для придания ему U-образной формы, после чего подвергают лист давлению для придания ему O-формы посредством формования открытой трубы, которая является трубчатым телом, имеющим участок зазора под сварку между концами по ширине листа, расположенными напротив друг друга в окружном направлении. Участок зазора под сварку открытой трубы стыкуют и соединяют посредством сварки для образования стальной трубы, которую далее экспандируют, так что диаметр стальной трубы увеличивается. Однако способ UOE-формования требует большой силы давления в процессе гибки давлением стального листа для придания ему U-образной формы или O-образной формы для формования открытой трубы и неизбежно требует использования крупногабаритного прессового оборудования.
Кроме того, при изготовлении стальной трубы используют способ формования открытой трубы с прикладыванием уменьшенной силы давления. Например, на практике используют процесс гибки давлением, в котором участки краев в направлении ширины стального листа подвергают гибке для получения изогнутых участков краев, после чего многократно выполняют трехточечную гибку давлением с помощью пуансона, поддерживаемого на опоре пуансона, и матрицы для придания стальному листу приблизительно круглой формы. Величина незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы, получаемой посредством формования с помощью процесса гибки давлением, больше ширины опоры пуансона. Если величина незамкнутого участка зазора под сварку слишком большая, сила, требуемая для стыковки участков краев листа, расположенных напротив друг друга, и закрывания участка зазора под сварку увеличивается с целью сварки участка зазора под сварку. В таком случае для закрывания участка зазора под сварку требуется более мощное оборудование. Кроме того, после сварки участка зазора под сварку с излишней величиной незамкнутого участка зазора под сварку сварной участок воспринимает усилие, обусловливаемое пружинением, открывающим участок зазора под сварку, и имеет тенденцию к возникновению дефекта сварного шва. Если указанное усилие очень большое, сварной участок разрушается.
Способы уменьшения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы после гибки давлением описаны в Патентной литературе 1 - 4. В Патентной литературе 1 описан способ уменьшения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы с помощью участка поворотного соединения между передним концом пуансона и опорой пуансона для уменьшения ширины опоры пуансона. В Патентной литературе 2 описан способ уменьшения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы с помощью средства поддержания зазора для ограничения перемещения материала листа в направлении, перпендикулярном направлению движения пуансона, и прикладывания большого давления при окончательной гибке без приведения участков краев листа в контакт с опорой пуансона. В Патентной литературе 3 описан способ уменьшения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы с помощью измерения зазора между участком конца по ширине листа и опорой пуансона после окончательного процесса обработки давлением и сведения зазора к минимуму. В Патентной литературе 4 описан способ уменьшения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы независимо от отклонения формы в процессе гибки давлением, в котором величина давления пуансона на окончательном этапе определяется на основе момента времени, когда расстояние между концами по ширине листа становится равным предварительно заданной величине во время прикладывания давления в процессе окончательной гибки.
К сожалению, способы, описанные в Патентной литературе 1 - 4, не позволяют уменьшить величину незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы до ширины меньше ширины опоры пуансона. Способы уменьшения величины незамкнутого участка зазора под сварку с помощью дополнительной обработки открытой трубы после гибки давлением описаны в Патентной литературе 5 - 9. В Патентной литературе 5 описан способ формования трубы с меньшим усилием за счет горячей обработки давлением стальной трубы после гибки давлением. В Патентной литературе 6 описан способ гибки давлением, в котором предусмотрен датчик перекашивания для обнаружения наклона или перекашивания нажимного элемента, прикрепленного к ползуну, причем нажимной элемент расположен таким образом, чтобы он мог наклоняться или поступательно перемещаться в ответ на обнаружение наклона или перекашивания с помощью датчика перекашивания, и когда материал заготовки подвергается обработке давлением для получения формы трубы, нажимной элемент наклоняется или поступательно перемещается на величину наклона нажимного элемента для уменьшения величины перекашивания. В Патентной литературе 7 описан способ, в котором труба с прорезью, имеющая некруглую предварительную форму, подвергается формованию посредством незначительного изменения формы по сравнению с другими этапами гибки, причем, по меньшей мере, на одном этапе гибки оказывается воздействие на внутреннюю сторону листового материала с правой и левой сторон относительно центра, определяемого продольной осевой линией расположенного с верхней стороны инструмента, входящего в постепенно формуемый листовой материал, после чего завершается изготовление трубы с прорезью посредством прикладывания в каждом случае надлежащего усилия давления, действующего на участки, предварительно подвергнутые незначительному изменению формы, с обеих сторон от центра некруглой предварительной формы с наружной стороны. В Патентной литературе 8 описан способ, в котором в заготовке, имеющей плоский участок между участками, изогнутыми, по меньшей мере, с получением двух изгибов трубы, пластическая деформация прикладывается, по меньшей мере, к одному плоскому участку на месте предварительно образованного изгиба для формования трубы с закрытым участком с прорезью. В Патентной литературе 9 описан способ формования трубы с закрытым участком с прорезью. Этот способ включает в себя обеспечение наличия небольшого изогнутого участка с немного меньшей кривизной, чем на других участках, или обеспечение наличия неизогнутого участка, где отсутствует изгиб, для формования заготовки предварительной формы, и прикладывание изгибающей силы без ограничения немного изогнутого участка или неизогнутого участка, что позволяет получить посредством обработки давлением открытую трубу из заготовки предварительной формы. Во время прикладывания изгибающей силы рекомендуется, чтобы заготовка предварительной формы удерживалась в матрице в U-образном состоянии с открытым участком, обращенным вверх, и поддерживалась у ее самого нижнего конца.
В Патентной литературе 10 и 11 описан способ изготовления UOE-трубы, имеющий диаметр, в котором наружный диаметр трубы отличается от диаметра внутренней поверхности матрицы для окончательного формования заготовки. Матрица, описываемая в Патентной литературе 10, имеет такую форму, что только часть эллипсной внутренней поверхности верхней/нижней полуматрицы надрезана. На фиг. 3(a) и фиг. 4(a) Патентной литературы 10, показывающих действие матрицы, труба O-образной формы находится в контакте со всей внутренней поверхностью матрицы для окончательной обработки заготовки. В Патентной литературе 11 описан способ, использующий матрицу, которая имеет внутреннюю поверхность, имеющую дугу, радиус которой больше наружного диаметра изделия, и имеет предварительно отшлифованную торцевую поверхность для обеспечения достаточно большого зазора. После размещения материала в матрице и последующего предварительного сжатия формуемая труба поворачивается приблизительно на 90° с последующим выполнением обработки давлением и приданием заготовки O-образной формы для получения круглой формы. На первом этапе обработки давлением и придания заготовки O-образной формы стальная труба находится в плотном контакте со всей поверхностью матрицы.
Перечень цитированных документов
Патентная литература
Патентная литература 1: японская выложенная патентная заявка № 2004-82219
Патентная литература 2: японская выложенная патентная заявка № 2011-56524
Патентная литература 3: WO2014/188468
Патентная литература 4: WO2014/192043
Патентная литература 5: японская выложенная патентная заявка № 2005-324255
Патентная литература 6: японская выложенная патентная заявка № 2005-21907
Патентная литература 7: Японская выложенная патентная заявка № 2012-250285
Патентная литература 8: Патент США № 4149399
Патентная литература 9: WO2016/084607
Патентная литература 10: японская выложенная патентная заявка № 2003-39115
Патентная литература 11: японская выложенная патентная заявка № 2002-178026
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема
К сожалению, способ, описанный в Патентной литературе 5, влечет за собой значительное увеличение стоимости, если учитывать расход тепловой энергии на нагрев. Кроме того, в этом способе, если листовой материал, изготовленный с помощью этапа термомеханической обработки, используется для обеспечения прочности, вязкости и свариваемости, характеристики материала могут ухудшиться. В способах, описанных в Патентной литературе 6 - 8, материал заготовки с некруглой предварительной формой подвергают формованию по отдельности с правой стороны и левой стороны. Если величина деформации с правой и левой сторон отличается, на участке зазора под сварку или на участке с прорезью, служащем в качестве сварного участка, может иметь место разность уровней (неточное совмещение). В этих способах деформация для получения требуемой формы на отдельном этапе обусловливает локальную концентрацию деформации, которая может ухудшить круглость стальной трубы. По этой причине деформация на многочисленных этапах становится неизбежной и вызывает ограничение эффективного формования. В способе, описанном в Патентной литературе 9, поскольку радиус нижней матрицы больше наружного диаметра трубы, самый нижний участок заготовки предварительной формы в U-образном состоянии изгибается назад, обусловливая деформацию, которая открывает участок зазора. Это может препятствовать уменьшению зазора на участке с прорезью. Способы, описанные в Патентной литературе 10 и 11, предусматривают обработку давлением в состоянии, в котором труба в O-образной форме находится в плотном контакте со всей поверхностью матрицы, и требуют большой силы давления, как описано выше, что неизбежно требует использования крупногабаритного прессового оборудования.
Настоящее изобретение разработано с учетом вышеуказанных проблем. Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления стальной трубы для эффективного формования стальной трубы с надлежащей круглостью и матрицу.
Решение проблемы
Для устранения указанной проблемы и решения указанной задачи способ изготовления стальной трубы по настоящему изобретению включает в себя: выполнение гибки листового материала три раза или более в направлении его ширины, причем листовой материал подвергается загибу кромки с обоих концов в направлении ширины заготовки предварительной формы для формования заготовки предварительной формы, имеющей U-образное сечение; обработку давлением заготовки предварительной формы для формования открытой трубы, причем открытая труба является трубчатым телом, имеющим участок зазора под сварку в продольном направлении; и соединение участка зазора под сварку для образования стальной трубы, причем, когда ширина листового материала перед загибом кромок равняется ширине W листа, заготовка предварительной формы имеет немного изогнутый участок или неизогнутый участок, центр которого расположен в точке в стороне от конца по ширине листа на расстоянии W/4, причем немного изогнутый участок имеет небольшую кривизну по сравнению с другими участками, неизогнутый участок не подвергается гибке, и обработка давлением выполняется для формования открытой трубы такой формы, что диапазон 20% или более ширины W листа, центр которой расположен на самом нижнем участке U-образного сечения, и диапазон 10% или более ширины W листа от конца по ширине листа вписываются в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы.
Кроме того, в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению, когда символ A обозначает диапазон 20% или более ширины W листа, центр которого расположен на самом нижнем участке U-образного сечения, вписанный в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы, и символ B обозначает общий диапазон 10% или более ширины W листа от обоих концов по ширине листа, вписанный в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы, соблюдается выражение (1):
2|A-B|/(A+B) < 0,4 … (1)
где |A-B| - абсолютное значение A-B.
Кроме того, в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению, когда заготовка предварительной формы расположена во второй полуматрице из пары полуматриц, так что первая полуматрица из пары полуматриц расположена напротив U-образной открытой стороны заготовки предварительной формы, и заготовка предварительной формы подвергается обработке давлением, когда заготовка предварительной формы удерживается между парой полуматриц, вторая полуматрица имеет такую нажимную поверхность, что: в состоянии, в котором заготовка предварительной формы расположена во второй полуматрице, нажимная поверхность не находится в контакте с заготовкой предварительной формы за исключением диапазона, образованного в форме, вписанной в дугу с диаметром, равным или, по существу, равным наружному диаметру стального листа, относительно самого нижнего участка U-образного сечения; и в состоянии, в котором обработка давлением выполнена, часть второй полуматрицы не находится в контакте с открытой трубой, и первая полуматрица имеет такую нажимную поверхность, что: в состоянии, в котором заготовка предварительной формы расположена во второй полуматрице, нажимная поверхность не находится в контакте с заготовкой предварительной формы; и в состоянии, в котором обработка давлением выполнена, часть первой полуматрицы не находится в контакте с открытой трубой.
Кроме того, в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению обработка давлением выполняется с помощью матрицы, имеющей радиус дугообразного участка в диапазоне ±3,5% относительно радиуса, соответствующего наружному радиусу стального листа.
Кроме того, в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению во время обработки давлением заготовки предварительной формы центр матрицы для использования в обработке давлением заготовки предварительной формы совпадает с центром в направлении ширины заготовки предварительной формы.
Кроме того, в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению заготовка предварительной формы удерживается в U-образном состоянии с U-образной открытой стороной, обращенной вверх.
Кроме того, матрица для использования в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению содержит: пару полуматриц, которые являются парой нажимных тел для удерживания заготовки предварительной формы; и дугообразный участок, образованный в поверхности каждой полуматрицы и находящийся в контакте с заготовкой предварительной формы, так что центр дуги находится в положении, совпадающем с центром гибки матрицы, причем дугообразный участок имеет радиус в диапазоне ±3,5% относительно радиуса, соответствующего наружному радиусу стальной трубы, причем дугообразный участок в каждой полуматрице имеет центральный угол 70 градусов или более, и полный угол центральных углов дугообразных участков обеих полуматриц составляет меньше 360 градусов.
Кроме того, в матрице по настоящему изобретению центральные углы дугообразных участков обеих полуматриц равны друг другу.
Кроме того, в матрице по настоящему изобретению каждая полуматрица имеет линейные участки или дугообразные участки небольшой кривизны, имеющие кривизну меньше, чем криволинейный участок, причем линейные участки или дугообразные участки небольшой кривизны соединены с обоими концами дугообразного участка в направлении дуги.
Кроме того, в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению используется матрица по настоящему изобретению.
Преимущественные эффекты изобретения
Способ изготовления стальной трубы и матрица по настоящему изобретению обеспечивают преимущественный эффект с возможностью эффективного формования стальной трубы с надлежащей круглостью.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - внешний перспективный вид матрицы и пуансона для использования в формовании заготовки предварительной формы, имеющей U-образное сечение, с помощью процесса гибки давлением по варианту выполнения;
фиг. 2 - технологическая схема процесса формования заготовки предварительной формы, имеющей U-образное сечение, с помощью процесса гибки давлением;
фиг. 3 - вид в разрезе заготовки предварительной формы, имеющей U-образное сечение;
фиг. 4(a) - 4(c) - технологическая схема процесса формования открытой трубы с помощью окончательного формования заготовки предварительной формы;
фиг. 5 - дугообразные участки, линейные участки и центральные углы верхней полуматрицы и нижней полуматрицы;
фиг. 6 - график, показывающий взаимосвязь между величиной незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы и ограничивающим диапазоном;
фиг. 7(a) - 7(c) - технологическая схема состояния деформации во время формования открытой трубы, используя верхнюю полуматрицу и нижнюю полуматрицу с ограничивающим диапазоном 0 градусов;
фиг. 8 - график, показывающий взаимосвязь между ограничивающим диапазоном и круглостью стальной трубы перед экспандированием трубы, когда участок зазора под сварку открытой трубы замкнут посредством сварки;
фиг. 9 - график, показывающий взаимосвязь между ограничивающим диапазоном и силой давления;
фиг. 10 - график, показывающий величину незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы в зависимости от изменения отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы и нижней полуматрицы;
фиг. 11 - график, показывающий круглость стальной трубы перед экспандированием трубы, образованной посредством замыкания участка зазора под сварку открытой трубы с помощью сварки в зависимости от изменения отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы и нижней полуматрицы;
фиг. 12 - график, показывающий силу давления в зависимости от изменения отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы и нижней полуматрицы;
фиг. 13 - график, показывающий величину незамкнутого участка зазора под сварку, когда ограничивающий диапазон верхней полуматрицы и ограничивающий диапазон нижней полуматрицы являются одинаковыми, и длина немного изогнутого участка или неизогнутого участка заготовки предварительной формы изменяется после гибки давлением;
фиг. 14 - график, показывающий круглость стальной трубы перед экспандированием трубы, когда ограничивающий диапазон верхней полуматрицы и ограничивающий диапазон нижней полуматрицы являются одинаковыми, и длина немного изогнутого участка или неизогнутого участка заготовки предварительной формы изменяется после гибки давлением;
фиг. 15 - график, показывающий силу давления, когда ограничивающий диапазон верхней полуматрицы и ограничивающий диапазон нижней полуматрицы являются одинаковыми, и длина немного изогнутого участка или неизогнутого участка заготовки предварительной формы изменяется после гибки давлением;
фиг. 16 - график, показывающий величину незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы в зависимости от изменения радиусов дугообразных участков верхней полуматрицы и нижней полуматрицы;
фиг. 17 - график, показывающий силу давления в зависимости от изменения радиусов дугообразных участков верхней полуматрицы и нижней полуматрицы.
Осуществление изобретения
Ниже приведено описание варианта выполнения способа изготовления стальной трубы и матрицы для использования в способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению. На фиг. 1 показан перспективный внешний вид матрицы 1 и пуансона 2 для использования во время формования заготовки предварительной формы, имеющей U-образное сечение с помощью процесса гибки давлением по настоящему варианту выполнения. Матрица 1 расположена на пути транспортировки листового материала, содержащего множество транспортирующих роликов 3 для листового материала S, и содержит пару элементов 1a и 1b в форме бруска, левый и правый, для поддержки листового материала S в двух точках в направлении транспортировки листового материала. Расстояние «e» между элементами 1a и 1b в форме бруска в направлении транспортировки листового материала можно изменять в зависимости от размера готовой стальной трубы.
Пуансон 2 может перемещаться в направлении к матрице 1 или от нее и имеет направленный вниз выступающий передний конец 2a пуансона для обработки давлением листового материала S и опору 2b пуансона такой же ширины, продолжающуюся к задней поверхности (верхней концевой поверхности) от переднего конца 2a пуансона для поддержки переднего конца 2a пуансона. Опора 2b пуансона имеет верхний конец, соединенный с непоказанным приводным средством. Приводное средство прикладывает силу давления к переднему концу 2a пуансона.
1
На фиг. 2 показан процесс формования заготовки S предварительной формы, имеющей U-образное сечение в результате гибки давлением. Этот процесс, в частности, иллюстрирует пример, в котором осуществляют гибку листового материала S, предварительного подвергнутого загибу кромки, причем листовой материал S подают сверху вниз в левой колонке на фиг. 2, затем сверху вниз в средней колонке на фиг. 2, и, наконец, выполняют гибку, как показано в правой колонке на фиг. 2. Стрелки возле пуансона 2 и листового материала S на фиг. 2 указывают направление, в котором движутся пуансон 2 или листовой материал S на каждом этапе.
max
min
max
min
Для придания листовому материалу S трубчатой формы, используя в качестве исходного материала листовой материал S, прежде всего, предварительно выполняют загиб кромки листового материала S. Этот загиб кромки выполняют на концевом участке по ширине листа, гибка которого является относительно сложной по сравнению с гибкой, выполняемой на листовом материале S, используя матрицу 1 и пуансон 2. При условии, что на концевых участках листового материала S по ширине предусмотрены изогнутые участки кромок, выполненные посредством загиба кромок, можно легко обеспечить надлежащую круглость стальной трубы по сравнению с тем, когда изогнутые участки кромок не предусмотрены. Круглость стальной трубы является показателем того, насколько близко форма сечения стальной трубы соответствует кругу, и является величиной, определяемой соотношением, полученным делением разности между максимальной и минимальной величиной отклонения от приблизительной дуги на всей окружности стальной трубы на диаметр стальной трубы. Например, стальная труба, имеющая наружный диаметр D, разделена на 8 равных частей, 12 равный частей, 16 равных частей или 24 равные части в окружном направлении трубы на любой заданной длине трубы, и наружные диаметры измерены в противоположных положениях. Если максимальный диаметр и минимальный диаметр измеренных наружных диаметров равны D и D, соответственно, круглость [%] определяется как {(D-D)/D}×100. Чем ближе круглость к нулю, тем ближе форма сечения стальной трубы к идеальному кругу.
1
Листовой материал S, имеющий изогнутые участки кромок, помещают на матрицу 1, как показано на фиг. 1. В то время как листовой материал S периодически транспортируется на предварительно заданную величину подачи, выполняется гибка три раза или более в направлении ширины листового материала S с помощью процесса, показанного на фиг. 2, для формирования заготовки S предварительной формы, имеющей в целом U-образное сечение.
1
1
1
На фиг. 3 показан вид в разрезе заготовки S предварительной формы, имеющей U-образное сечение. Как показано на фиг. 3, когда ширина листового материала S перед загибом кромки равняется ширине W, часть заготовки S предварительной формы имеет неизогнутый участок P, который не подвергается гибке, в частности, центр неизогнутого участка P расположен на участке W/4, который является секцией W/4 в стороне от каждого из концевых участков по ширине листа. Этот неизогнутый участок P может быть получен посредством увеличения величины подачи листового материала S и исключения обработки давлением с помощью пуансона 2. Часть заготовки S предварительной формы вместо неизогнутого участка P может иметь немного изогнутый участок с кривизной меньше кривизны других участков (с небольшой кривизной по сравнению с другими участками), так что центр расположен на участке W/4 в стороне от каждого из концов по ширине листа. В этом случае при необходимости в приведенном ниже описании выражение «неизогнутый участок P» можно читать как «немного изогнутый участок». Немного изогнутый участок может быть получен посредством прикладывания к нему пуансоном 2 меньшего по величине давления по сравнению с другими участками.
Пуансон 2, показанный на фиг. 1 и фиг. 2, имеет I-образную форму, в которой ширина переднего конца 2a пуансона в направлении транспортировки листового материала равна ширине опоры 2b пуансона в направлении транспортировки листового материала. Однако форма пуансона 2 до этого не ограничивается. Например, можно использовать пуансон 2, имеющий приблизительно перевернутую форму T, в котором ширина переднего конца 2a пуансона в направлении транспортировки листового материала больше ширины опоры 2b пуансона в направлении транспортировки листового материала. Если ширина опоры 2b пуансона в направлении транспортировки листового материала такая же, пуансон 2, имеющий приблизительно перевернутую форму T, может прикладывать давление к большей площади листового материала S за одно нажатие по сравнению с пуансоном 2, имеющим I-образную форму, тем самым, уменьшая число нажатий.
1
1
2
После выполнения гибки давлением листового материала S для формования заготовки S предварительной формы, имеющей U-образное сечение, выполняют окончательное формование для придания O-образной формы заготовке S, имеющей предварительную форму, используя верхнюю полуматрицу 4 и нижнюю полуматрицу 5, как показано на фиг. 4, тем самым получая открытую трубу S, которая является трубчатым телом, имеющим участок G зазора под сварку между концевыми участками по ширине листа, расположенными напротив друг друга в окружном направлении.
1
2
1
1
1
1
1
1
1
Процесс выполнения окончательного формования заготовки S предварительной формы для получения открытой трубы S описан ниже со ссылкой на фиг. 4. Прежде всего, как показано на фиг. 4(a), заготовку S предварительной формы устанавливают в нижнюю полуматрицу 5 таким образом, что верхняя полуматрица 4 и U-образная открытая сторона заготовки S предварительной формы расположены напротив друг друга (так что U-образная открытая сторона заготовки S предварительной формы обращена вверх), и заготовка S предварительной формы удерживается между верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5. При давлении на заготовку S предварительной формы центр гибки матрицы выравнивается с центром заготовки S предварительной формы в направлении ширины. Таким образом, концевые участки по ширине листа могут равномерно подвергаться давлению с левой и правой сторон возле U-образной открытой стороны заготовки S предварительной формы.
1
p4
p5
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
p4
p5
Как показано на фиг. 5, поверхности верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5, которые могут находиться в контакте с заготовкой S предварительной формы, имеют дугообразные участки 4a и 5a, соответственно, с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы, подлежащей формованию, и с центральным углом θ. Указанный диапазон позволяет получить форму, которая вписывается в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы. Например, центральный угол θ, равный 360°, соответствует ширине листа 100%, подлежащей обработке давлением для получения вписанной формы. В дальнейшем центральный угол θ дугообразных участков 4a и 5a будет именоваться ограничивающим углом, и величина, полученная посредством деления этого угла на 360 градусов, является диапазоном обработки давлением для получения формы, вписанной в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы. Дугообразный участок 4a имеет центр дуги в положении, совпадающим с центром O гибки верхней полуматрицы 4. Дугообразный участок 5a имеет центр дуги в положении, совпадающим с центром O гибки нижней полуматрицы 5. Верхняя полуматрица 4 имеет линейные участки 4b и 4b, соединенные с обоими концами в направлении дуги дугообразного участка 4a. Нижняя полуматрица 5 имеет линейные участки 5b и 5b, соединенные с соответствующими обоими концами в направлении дуги дугообразного участка 5a. Вместо линейных участков 4b, 4b, 5b, и 5b, верхняя полуматрица 4 и нижняя полуматрица 5 могут иметь дугообразные участки небольшой кривизны, имеющие кривизну меньше кривизны дугообразных участков 4a и 5a. В настоящем изобретении с учетом улучшения симметрии готовой стальной трубы предпочтительно, чтобы линейные участки 4b и 4b или дугообразные участки небольшой кривизны, соединенные с дугообразными участками 4a и 5a, были симметричны относительно центров O и O гибки, т.е. центров дугообразных участков 4a и 5a. Предпочтительно, чтобы обработка давлением выполнялась с помощью матрицы, имеющей радиус дугообразного участка в диапазоне ±3,5% относительно радиуса, соответствующего наружному радиусу стальной трубы. Причина этого описана ниже.
1
1
1
2
1
В дальнейшем заготовка S предварительной формы, удерживаемая между верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5, прижимается верхней полуматрицей 4 и подвергается окончательному формованию, как показано фиг. 4(b). В рассматриваемом случае участки заготовки S предварительной формы, которые расположены напротив дугообразных участков 4a и 5a верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5, ограничены верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5, в то время как неизогнутые участки P заготовки S предварительной формы не ограничиваются верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5. Таким образом, открытая труба S, как показано на фиг. 4(c), может быть сформована с помощью силы давления меньше силы давления, необходимой, когда вся окружность заготовки S предварительной формы ограничена верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5.
1
2
В способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению, используя матрицу, содержащую верхнюю полуматрицу 4 и нижнюю полуматрицу 5, заготовка S предварительной формы подвергается обработке давлением для формования открытой трубы S в такой форме, что диапазон 20% или более ширины W листа (эквивалентный центральном углу θ, равному 70 градусам или более), центр которой расположен на самом нижнем участке U-образного сечения, и диапазон 10% или более (эквивалентный центральном углу θ, равному 35 градусам или более) ширины W листа от конца по ширине листа вписываются в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы.
2
В настоящем варианте выполнения с учетом улучшения формы готовой стальной трубы предпочтительно, чтобы диапазон, в который вписывается открытая труба S в матрице, по существу, был одинаковым в верхней полуматрице 4 и нижней полуматрице 5. Другими словами, когда диапазон 20% или более ширины W листа, центр которой расположен на самом нижнем участке U-образного сечения, вписанный в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы, обозначен символом A, и общий диапазон 10% или более ширины W листа от обоих концов по ширине листа, вписанный в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы, обозначен символом B, предпочтительно, чтобы соблюдалось выражение (1):
2|A-B|/(A+B) < 0,4 … (1)
где |A-B| - абсолютное значение A-B.
Смысл выражения (1) подробно описан ниже.
2
1
11
12
1
21
22
1
21
22
21
22
11
12
1
21
22
21
22
31
32
21
22
В способе изготовления стальной трубы по настоящему изобретению для обеспечения того, чтобы открытая труба S вписывалась в матрицу в заданном диапазоне, и получения удовлетворительной формы, как показано на фиг. 5, предпочтительно, чтобы в U-образном сечении заготовки S предварительной формы перед обработкой давлением углы θ и θ между касательной TL на участке W/2, который является центральным участком по ширине листа, и касательными TL и TL на участках W/4 составляли 35 градусов или более и меньше 90 градусов. Кроме того, предпочтительно, чтобы в заготовке S предварительной формы перед обработкой давлением углы θ и θ между касательными TL TL на участках W/4 составляли 35 градусов или более и меньше 90 градусов. Для того чтобы установить одинаковый вписываемый диапазон в верхней полуматрице 4 и нижней полуматрице 5, предпочтительно, чтобы сумма углов θ и θ между касательной TL и касательными TL TL была, по существу, равной сумме углов θ и θ между касательными TL и TL и касательными TL and TL.
1
1
2
1
1
1
1
Эти углы должны быть ограничены с учетом оборудования для гибки заготовки S предварительной формы и придания ей U-образной формы и с учетом формы матрицы для гибки заготовки S предварительной формы, имеющей U-образной форму, и получения открытой трубы S по следующим причинам. Если эти углы слишком большие, расстояние между концами по ширине листа незначительное. Если указанное расстояние меньше ширины опоры 2b пуансона для гибки заготовки S предварительной формы, имеющей U-образной форму, невозможно получить заготовку S предварительной формы, имеющую U-образной форму. С другой стороны, если эти углы слишком небольшие, расстояние между концами по ширине листа заготовки S предварительной формы, имеющей U-образной форму, большое, так что когда заготовка S предварительной формы, имеющая U-образной форму, расположена в матрице, расстояние между концами по ширине листа больше проема верхней полуматрицы 4, что не позволяет приложить усилие гибки. Кроме того, расстояние между неизогнутыми участками P слева и справа излишне большое, что не позволяет препятствовать ненадлежащему размещению заготовки в нижней полуматрице 5.
1
1
1
1
1
1
2
1
1
2
Когда заготовка S предварительной формы расположена в нижней полуматрице 5, которая является второй полуматрицей из пары полуматриц, так что верхняя полуматрица 4, которая является первой полуматрицей из пары полуматриц, расположена напротив U-образной открытой стороны заготовки S предварительной формы, и заготовка S предварительной формы подвергается обработке давлением, когда заготовка S предварительной формы удерживается между верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5, верхняя полуматрица 4 и нижняя полуматрица 5 имеют следующие нажимные поверхности. Нижняя полуматрица 5 имеет такую нажимную поверхность, что нажимная поверхность не находится в контакте с заготовкой S предварительной формы за исключением диапазона 20% или более (эквивалентного центральном углу θ, равному 70 градусам или более) ширины W листа, центр которой расположен на самом нижнем участке U-образного сечения, в состоянии, в котором заготовка S предварительной формы расположена в нижней полуматрице 5, и что часть нижней полуматрицы 5 не находится в контакте с открытой трубой S в состоянии, в котором обработка давлением выполнена. Верхняя полуматрица 4 имеет такую нажимную поверхность, что нажимная поверхность не находится в контакте с заготовкой S предварительной формы в состоянии, в котором заготовка S предварительной формы расположена в нижней полуматрице 5, и что часть верхней полуматрицы 5 не находится в контакте с открытой трубой S в состоянии, в котором обработка давлением выполнена.
1
1
1
1
В настоящем варианте выполнения предпочтительно, чтобы при обработке давлением заготовки S предварительной формы центр матрицы, используемой для обработки давлением заготовки S предварительной формы, совпадал с центром в направлении ширины заготовки S предварительной формы. Это связано с тем, что прикладывание симметричной силы к центру в направлении ширины заготовки S предварительной формы способствует повышению точности формы готовой стальной трубы.
1
1
В настоящем варианте выполнения предпочтительно, чтобы заготовка S предварительной формы удерживалась в U-образном состоянии с U-образной открытой стороной, обращенной вверх. Это связано с тем, что обработка давлением в этом состоянии способствует выполнению обработки. Другая причина состоит в том, что если U-образная открытая сторона обращена вниз, вес заготовки S предварительной формы оказывает воздействие на концевые участки по ширине листа и может обусловливать образование царапин на концевых участках по ширине листа или матрице, что должно быть исключено.
2
1
1
1
В рассматриваемом случае в настоящем изобретении, когда открытая труба S сформована посредством окончательного формования заготовки S предварительной формы, используя верхнюю полуматрицу 4 и нижнюю полуматрицу 5, сила давления прикладывается к части W/4 в стороне от центра неизогнутого участка P в направлении концевого участка по ширине заготовки S предварительной формы. Причина этого заключается в следующем. Когда вся заготовка S предварительной формы принимает форму круга, изгибающий момент M = F⋅r⋅cosφ (F - сила давления, r - радиус круга) в положении, где центральный угол находится в стороне от участка прикладывания давления, что соответствует углу φ, и является наибольшим в положении в стороне от участка прикладывания давления, что соответствует углу 90 градусов, где деформация также наибольшая. Сила давления прикладывается в положении в стороне от центра неизогнутого участка P, что соответствует углу 90 градусов, т.е. 1/4 целой окружности, в результате чего неизогнутый участок P эффективно деформируется. В рассматриваемом случае изгибающий момент является наибольшим в положении в стороне от положения, воспринимающего усилия давления, что соответствует углу 90 градусов, и уменьшается, когда расстояние от этого положения увеличивается. На основании этого предпочтительно, чтобы сила давления прикладывалась к секции в стороне от центра неизогнутого участка P в направлении концевого участка по ширине, что соответствует W/4±0,07W, для обеспечения достаточной пластической деформации в неизогнутом участке P.
1
1
1
2
1
1
1
В настоящем варианте выполнения центр неизогнутого участка P расположен в секции, включающей в себя положение в стороне от концевого участка по ширине, что соответствует W/4. Причина этого заключается в следующем. Несмотря на то, что предпочтительно, чтобы сила давления прикладывалась к секции в стороне от центра неизогнутого участка P в направлении концевого участка по ширине, что соответствует W/4, как описано выше, положение контакта между верхней полуматрицей 4 и заготовкой S предварительной формы изменяется, и положение восприятия силы давления также изменяется, поскольку форма заготовки S предварительной формы изменяется на этапе формования заготовки S предварительной формы с целью получения открытой трубы S. Когда неизогнутый участок P расположен в секции, включающей в себя положение в стороне от концевого участка по ширине, что соответствует W/4, в заготовке S предварительной формы, участок, воспринимающий силу давления, всегда является концевым участком по ширине заготовки S предварительной формы, так что неизогнутый участок является наиболее деформируемым. Таким образом, существует возможность деформирования неизогнутого участка P за одно нажатие без изменения положения прикладывания давления. Кроме того, предпочтительно, чтобы обеспечивались условия, при которых неизогнутый участок P находится в диапазоне W/4±0,07W от положения восприятия силы давления, т.е. концевого участка по ширине заготовки S предварительной формы.
1
Поскольку концевые участки по ширине листа находятся в контакте с верхней полуматрицей 4 в исходном состоянии формования, как показано на фиг. 4(a) и фиг. 4(b), предпочтительно, чтобы неизогнутый участок P был расположен в секции, включающей в себя секцию в стороне от концевого участка по ширине заготовки S предварительной формы, что соответствует W/4.
2
2
На фиг. 6 представлен график, показывающий взаимосвязь между величиной незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S и ограничивающим диапазоном. Соотношения между величиной незамкнутого участка и ограничивающим диапазоном, показанные на фиг. 6, являются полученными для стальной трубы с пределом прочности на разрыв 630 МПа, наружным диаметром 660,4 мм и толщиной трубы 40,0 мм, образованной посредством сварки обоих краев открытой трубы S с последующим выполнением корректировки формы посредством экспандирования трубы при коэффициенте экспандирования трубы 1%.
1
11
12
21
22
1
2
2
Заготовка S предварительной формы после гибки давлением имеет неизогнутый участок P длиной W/12 на участке W/4 от каждого из концов по ширине листа с обеих сторон. Углы θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и участком W/4, который является секцией в стороне от конца по ширине листа, что соответствует W/4, составляет 75 градусов, и угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составляет 75 градусов. Эта заготовка S предварительной формы удерживается между верхней полуматрицей 4 и нижней полуматрицей 5 с одним и тем же ограничивающим углом. Величину давления задают таким образом, что расстояние между участками W/2 открытой трубы S равно диаметру до экспандирования трубы (величину давления при окончательном формовании задают таким образом, что диаметр в продольном направлении согласуется с диаметром перед экспандированием трубы). Как можно видеть из фиг. 6, чем больше ограничивающий угол, тем меньше величина незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S.
2
1
1
1
1
2
1
На фиг. 7(a) - 7(c) схематично показано состояние деформации, когда открытая труба S формуется с использованием верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 с ограничивающим углом 0 градусов. Когда ограничивающий угол верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 составляет 0 градусов, дугообразные участки 4a и 5a являются дугами, имеющими диаметр, равный 1,16 наружного диаметра стальной трубы, так что верхняя полуматрица 4 находится в контакте только с обоими краями заготовки S предварительной формы, а нижняя полуматрица 5 находится в контакте только с центральным участком по ширине листа заготовки S предварительной формы. Как показано на фиг. 7(a), диаметр дугообразного участка 5a нижней полуматрицы 5 больше диаметра стальной трубы, так что при сравнении сечения заготовки S предварительной формы с часами только участок «6 часов» находится в контакте с нижней полуматрицей 5. Таким образом, как показано на фиг. 7(b), участок «6 часов» заготовки S предварительной формы и близлежащие участки изгибаются назад, так что они соответствуют дугообразному участку 5a нижней полуматрицы 5 во время окончательного формования, и радиус кривизны становится больше диаметра стальной трубы. В результате после окончательного формования, как показано на фиг. 7(c), величина незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S является большой в сочетании с пружинением на участке «3 часа» и участке «9 часов» заготовки S предварительной формы.
2
На фиг. 8 представлен график, показывающий взаимосвязь между ограничивающим углом и круглостью стальной трубы перед экспандированием трубы, когда участок G зазора под сварку открытой трубы S замкнут посредством сварки. Как можно понять из фиг. 8, когда ограничивающий угол равен 60 градусам, круглость будет хуже, чем когда ограничивающий угол равен 0 градусов. Однако с увеличением ограничивающего угла круглость улучшается. Когда ограничивающий угол равен 70 градусам и более, круглость будет лучше, чем когда ограничивающий угол равен 0 градусов. Также можно понять, что круглость наиболее улучшается, когда ограничивающий угол составляет от 100 градусов до 110 градусов.
2
1
На фиг. 9 представлен график, показывающий взаимосвязь между ограничивающим диапазоном и силой давления. Как можно понять из фиг. 9, когда ограничивающий диапазон увеличивается, сила давления также увеличивается. Увеличение ограничивающего диапазона уменьшает величину незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S, но увеличенная сила давления требует использования более мощного прессового оборудования. Следовательно, предпочтительным является уменьшение ограничивающего диапазона в диапазоне, в котором достигается требуемая величина незамкнутого участка зазора под сварку. Например, ограничивающий диапазон задают равным 150 градусам или меньше для задания силы давления до 90% или меньше от силы давления, требуемой, когда отдельные ограничивающие диапазоны верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 для ограничения всей окружности заготовки S предварительной формы с помощью верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 равны 180 градусам.
2
2
На фиг. 10 представлен график, показывающий величину незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S в зависимости от изменения отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5. На фиг. 11 представлен график, показывающий круглость стальной трубы перед экспандированием трубы, образованной посредством замыкания участка G зазора под сварку открытой трубы S с помощью сварки в зависимости от изменения отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5. На фиг. 12 представлен график, показывающий силу давления в зависимости от изменения отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5. Данные на фиг. 10 - 12 получены для стальной трубы с пределом прочности на разрыв 630 МПа, наружным диаметром 660,4 мм и толщиной трубы 40,0 мм, т.е. указанные характеристики являются такими же, как и характеристики в отношении фиг. 6, фиг. 8 и фиг. 9. Горизонтальная ось отображает среднее значение ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5, а различные ограничивающие диапазоны в нижней полуматрице 5 обозначены различными символами. На этих фигурах, к примеру, выражение «нижняя 60 градусов» означает, что ограничивающий диапазон в нижней полуматрице 5 равен 60 градусам.
2
Как можно понять из фиг. 10, независимо от отдельных ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5, когда средняя величина ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 увеличивается, величина незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S уменьшается. Как можно понять из фиг. 11, когда ограничивающий диапазон одной из полуматриц, верхней полуматрицы 4 или нижней полуматрицы 5, становится меньше 60 градусов, круглость стальной трубы ухудшается. Соответственно, несмотря на то, что отдельные ограничивающие диапазоны верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 необязательно должны быть равны, желательно, чтобы ограничивающие диапазоны верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 превышали 60 градусов для получения формы с удовлетворительной круглостью стальной трубы. Из фиг. 12 также можно понять, что чем больше средняя величина ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5, тем больше сила давления. Следовательно, когда задано верхнее предельное значение допускаемой силы давления, диапазон средней величины используемых ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 может быть определен по верхнему предельному значению силы давления.
На фиг. 11, когда разница между верхним и нижним ограничивающими диапазонами составляет 30 градусов, и разница составляет 29% средней величины верхнего и нижнего ограничивающих диапазонов, а именно, верхняя 90 градусов / нижняя 120 градусов, верхняя 120 градусов / нижняя 90 градусов, круглость перед экспандированием трубы после сварки составляет 1,5% и менее, что является отменным показателем. С другой стороны, когда разница между верхним и нижним ограничивающими диапазонами составляет 30 градусов, но разница составляет вплоть до 40% средней величины верхнего и нижнего ограничивающих диапазонов, а именно, верхняя 90 градусов / нижняя 60 градусов, круглость перед экспандированием трубы после сварки имеет показатель немного хуже, равный 2,0%. Таким образом, уменьшение разницы между верхним и нижним ограничивающими диапазонами может обеспечить получение удовлетворительной формы. Другими словами, в настоящем изобретении еще более предпочтительно, чтобы заданная разница между верхним и нижним ограничивающими диапазонами составляла менее 40% средней величины верхнего и нижнего ограничивающих диапазонов, более предпочтительно 30% и менее. Предпочтительно, чтобы разница между верхним и нижним ограничивающими диапазонами составляла менее 30 градусов. Соотношение разницы между верхним и нижним ограничивающими диапазонами и средней величиной верхнего и нижнего ограничивающих диапазонов может быть описана следующим образом. Когда диапазон 20% или более ширины W листа, центр которой расположен на самом нижнем участке U-образного сечения, вписанный в дугу с диаметром, равным или по существу равным наружному диаметру стальной трубы, обозначен символом A, и общий диапазон 10% или более ширины W листа от обоих концов по ширине листа, вписанный в дугу с диаметром, равным или, по существу, равным наружному диаметру стальной трубы, обозначен символом B, предпочтительно, чтобы соблюдалось выражение (1):
2|A-B|/(A+B) < 0,4 … (1)
где |A-B| - абсолютное значение A-B.
1
1
1
11
12
21
22
На фиг. 13 представлен график, показывающий величину незамкнутого участка G зазора под сварку, когда ограничивающий диапазон верхней полуматрицы 4 и ограничивающий диапазон нижней полуматрицы 5 являются одинаковыми, и длина L неизогнутого участка P заготовки S предварительной формы изменяется после гибки давлением. На фиг. 14 представлен график, показывающий круглость стальной трубы перед экспандированием трубы, когда ограничивающий диапазон верхней полуматрицы 4 и диапазон угол нижней полуматрицы 5 являются одинаковыми, и длина L неизогнутого участка P заготовки S предварительной формы изменяется после гибки давлением. На фиг. 15 представлен график, показывающий силу давления, когда ограничивающий диапазон верхней полуматрицы 4 и ограничивающий диапазон нижней полуматрицы 5 являются одинаковыми, и длина L неизогнутого участка P заготовки S предварительной формы изменяется после гибки давлением. На фиг. 13 - 15, когда угол между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4, который является секцией в стороне от конца по ширине листа, что соответствует W/4, составляет θ, θ, и угол между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составляет θ, θ, все эти углы принимаются равными по величине и изменяются по ширине неизогнутого участка P. Горизонтальная ось отображает среднюю величину ограничивающего диапазона верхней полуматрицы 4 и ограничивающего диапазона нижней полуматрицы 5.
1
11
12
21
22
11
12
21
22
1
11
12
21
22
2
1
11
12
21
22
Как можно понять из фиг. 13, независимо от длины L неизогнутого участка P заготовки S предварительной формы и углов θ, θ, θ, and θ касательных, когда средняя величина ограничивающего диапазона верхней полуматрицы 4 и ограничивающего диапазона нижней полуматрицы 5 увеличиваются, величина незамкнутого участка G зазора под сварку увеличивается. Также понятно, что когда средняя величина ограничивающего диапазона верхней полуматрицы 4 и ограничивающего диапазона нижней полуматрицы 5 одинаковые, большей длине L и меньшим углам θ, θ, θ и θ касательных соответствует меньшая величина незамкнутого участка зазора под сварку. Как можно понять из фиг. 14 и фиг. 15, когда средняя величина ограничивающего диапазона верхней полуматрицы 4 и ограничивающего диапазона нижней полуматрицы 5 одинаковые, отсутствует значительное различие в круглости стальной трубы и силе давления на нее, что обусловлено длиной L неизогнутого участка P заготовки S предварительной формы и углами θ, θ, θ и θ касательных. Таким образом, когда средняя величина ограничивающего диапазона верхней полуматрицы 4 и ограничивающего диапазона нижней полуматрицы 5 одинаковые, величина незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S может быть уменьшена посредством увеличения длины L неизогнутого участка P заготовки S предварительной формы и уменьшения углов θ, θ, θ и θ касательных без возникновения различия в круглости стальной трубы и силе давления на нее, что обусловлено длиной L.
2
На фиг. 16 представлен график, показывающий величину незамкнутого участка G зазора под сварку открытой трубы S в зависимости от изменения радиусов дугообразных участков верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5. На фиг. 17 представлен график, показывающий силу давления в зависимости от изменения радиусов дугообразных участков верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5. На фиг. 16 и фиг. 17 центральные углы дугообразных участков 4a и 5a верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 составляют 45 градусов, и по мере изменения радиусов дугообразных участков, которые являются радиусами дугообразных участков 4a и 5a, стальная труба с пределом прочности на разрыв 630 МПа, наружным диаметром 660,4 мм и толщиной трубы 40,0 мм подвергается обработке давлением посредством окончательного формования, так что диаметр в продольном направлении согласуется с диаметром перед экспандированием трубы. На фиг. 16 и фиг. 17 горизонтальная ось отображает соотношение между радиусом дугообразного участка и наружным радиусом стальной трубы (радиусом, соответствующим наружному диаметру стальной трубы). Когда радиус дугообразного участка больше наружного радиуса стальной трубы, это соотношение больше 1,0, и когда радиус дугообразного участка меньше наружного радиуса стальной трубы, это соотношение меньше 1,0.
1
Как показано на фиг. 16, когда радиус дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 равен наружному радиусу стальной трубы (1,0 по горизонтальной оси на фиг. 16), величина незамкнутого участка G зазора под сварку является наименьшей. С другой стороны, когда радиус дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 больше наружного радиуса стальной трубы, деформация пружинения возникает на участке «6 часов» заготовки S предварительной формы и близлежащих участках, как показано на фиг. 7, так что величина незамкнутого участка G зазора под сварку увеличивается, когда увеличивается радиус дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5. Когда радиус дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 меньше наружного радиуса стальной трубы, деформация пружинения возникает на участках, где оканчиваются дугообразные участки 4a и 5a верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5, так что величина незамкнутого участка G зазора под сварку увеличивается, когда уменьшается радиус дугообразного участка. Таким образом, несмотря на то, что наиболее предпочтительно, чтобы радиус дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 был равен наружному радиусу стальной трубы, величина незамкнутого участка G зазора под сварку сохраняется равной 40 [мм] или меньше, когда радиус дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 является радиусом, эквивалентным наружному радиусу стальной трубы ±3,5%.
Однако, как можно понять из фиг. 17, сила давления увеличивается, когда радиус дугообразного участка уменьшается. В частности, когда радиус дугообразного участка небольшой, необходимо определить радиус, учитывая нагрузку на прессовое оборудование.
Пример 1
1
1
Стальной лист с кромками под сварку, имеющий ширину 1928 мм, длину 1000 мм, толщину 40 мм и предел прочности на разрыв 635 МПа, был подвергнут загибу кромки с последующей гибкой давлением для получения заготовки S предварительной формы. В дальнейшем было выполнено окончательное формование заготовки S предварительной формы с помощью прессового оборудования 30 МН, используя верхнюю полуматрицу 4 и нижнюю полуматрицу 5 с различными ограничивающими диапазонами для формования заготовок A и B предварительной формы. В таблице 1 и таблице 2 указаны профили заготовок A и B предварительной формы. В таблице 1 и таблице 2 начальные буквенные символы A и B в колонке «№» обозначают профили заготовок предварительной формы (заготовок A и B предварительной формы), а цифры, следующие за буквенными символами A и B, обозначают комбинацию ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5.
21
22
11
12
21
22
11
12
В таблице 1 приведены данные о заготовке A предварительной формы по условию A, в которой неизогнутый участок имел ширину 160 мм (W/12), центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 65 градусов, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 73 градуса. В таблице 2 приведены данные о заготовке B предварительной формы по условию B, в которой неизогнутый участок имел ширину 321 мм (W/6) (двойная ширина по сравнению с условием A), центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 59 градусов, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 61 градус. Заготовки A и B предварительной формы являются симметричными по отношению к прямой линии, соединяющей центр концевого участка по ширине листа с 1/2 ширины листа, и в таблице 1 и таблице 2 указана величина участка на 1/2 ширины листа. Величина давления при окончательном формовании была задана таким образом, что расстояние между стороной наружной поверхности участка W/2 и стороной наружной поверхности краевого участка по ширине листа составляло 654 мм.
2
2
После измерения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы S, выполненного после окончательного формования заготовок A, и B предварительной формы, зазор G под сварку открытой трубы S был сварен для образования стальной трубы, имеющей наружный диаметр 654 мм. После этого диаметр стальной трубы измерили в восьми точках с шагом 22,5 градуса в окружном направлении и получили разницу между максимальным диаметром и минимальным диаметром. В таблице 1 и таблице 2 также указан профиль полуматрицы (ограничивающий диапазон), сила давления, величины незамкнутого участка зазора под сварку и круглость. В рассматриваемом случае круглость является величиной, полученной посредством деления разницы между максимумом и минимумом на наружный диаметр стальной трубы (средняя величина всех измеренных значений диаметра).
Сварочный аппарат, используемый в этом примере, не мог обеспечить замыкание отверстия в трубе, имеющего величину незамкнутого участка зазора под сварку, превышающую 40 мм после окончательного формования. В этом случае оба конца и центр в осевом направлении трубы были временно сварены с замыканием отверстия, используя другое прессовое оборудование, после чего участок G зазора под сварку был окончательно сварен по всей длине. Круглость 2,5% перед экспандированием трубы была принята как приемлемая. Это связано с тем, что если круглость перед экспандированием трубы равна или меньше 2,5%, круглость после экспандирования трубы считается удовлетворительной, если она составляет 1% или меньше.
В образцах №№ A1 - A7, A9 и A10 в таблице 1, №№ B1 - B7, B9 и B10 в таблице 2, которые входят в группу образцов настоящего изобретения, величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая, и круглость также удовлетворительная. В частности, образцы с ограничивающим диапазоном от 90 градусов до 110 градусов имеют круглость 1,0% или меньше даже без экспандирования трубы. Чем меньше средняя величина ограничивающего диапазона, тем меньше сила давления.
В отличие от этого в образцах №№ A8 и A11 в таблице 1 и №№ B8 и B11 в таблице 2, в которых ограничивающие диапазоны верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 являются комбинацией 60 градусов и 90 градусов, величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая, но круглость неудовлетворительная. В образцах №№ A12 - A16 в таблице 1 и №№ B12 - B16 в таблице 2, в которых средняя величина ограничивающих диапазонов 60 градусов или меньше, величина незамкнутого участка зазора под сварку большая. В частности, в образцах №№ A15 и A16 в таблице 1 и образце № B16 в таблице 2 нельзя измерить круглость, поскольку сварной участок разрушился после сварки участка G зазора под сварку.
В образце, сформованном с использованием заготовки B предварительной формы, имеющей неизогнутый участок шире неизогнутого участка заготовки A предварительной формы, по сравнению с образцом, сформованным с использованием заготовки A предварительной формы, сила давления и круглость практически такие же, но величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая.
Несмотря на вышеприведенное описание вариантов выполнения, в которых используется настоящее изобретение, не предусматривается ограничение настоящего изобретения описанием и чертежами, которые являются частью раскрытия настоящего изобретения по вариантам выполнения. Другими словами, все другие варианты выполнения, примеры, приемы эксплуатации и т.п., выполняемые специалистами в рассматриваемой области на основе вариантов выполнения, соответствуют объему настоящего изобретения.
Пример 2
1
1
Стальной лист с кромками под сварку, имеющий ширину 1639 мм, длину 1000 мм, толщину 31,8 мм и предел прочности на разрыв 779 МПа, был подвергнут загибу кромки с последующей гибкой давлением для получения заготовки S предварительной формы. В дальнейшем было выполнено окончательное формование заготовки S предварительной формы с помощью прессового оборудования 30 МН, используя верхнюю полуматрицу 4 и нижнюю полуматрицу 5 с различными ограничивающими диапазонами для формования заготовок A и B предварительной формы. В таблице 3 и таблице 4 указаны профили заготовок A и B предварительной формы. В таблице 3 и таблице 4 начальные буквенные символы A и B в колонке «№» обозначают профили заготовок предварительной формы (заготовок A и B предварительной формы), а цифры, следующие за буквенными символами A и B, обозначают комбинацию ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5.
21
22
11
12
21
22
11
12
В таблице 3 приведены данные о заготовке A предварительной формы в качестве условия A с неизогнутым участком шириной 137 мм (W/12), центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 65 градусов, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине полосы и касательной на участке W/4 составлял 72 градуса. В таблице 4 приведены данные о заготовке B предварительной формы в качестве условия B с неизогнутым участком шириной 273 мм (W/6), (двойная ширина по сравнению с условием A), центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 59 градусов, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 61 градус. Заготовки A и B предварительной формы являются симметричными по отношению к прямой линии, соединяющей центр концевого участка по ширине листа с 1/2 ширины листа. В таблице 3 и таблице 4 указаны величины участка на 1/2 ширины листа. Величина давления при окончательном формовании была задана таким образом, что расстояние между стороной наружной поверхности участка W/2 и стороной наружной поверхности краевого участка по ширине листа составляло 553 мм.
2
2
После измерения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы S, выполненного после окончательного формования заготовок A и B предварительной формы, зазор G под сварку открытой трубы S был сварен для образования стальной трубы, имеющей наружный диаметр 553 мм. После этого диаметр стальной трубы измерили в восьми точках с шагом 22,5 градуса в окружном направлении и получили разницу между максимальным диаметром и минимальным диаметром. В таблице 3 и таблице 4 также указан профиль матрицы (ограничивающий диапазон), сила давления, величины незамкнутого участка зазора под сварку и круглость. В рассматриваемом случае круглость является величиной, полученной посредством деления разницы между максимумом и минимумом на наружный диаметр стальной трубы.
Сварочный аппарат, используемый в этом примере, не мог обеспечить замыкание отверстия в трубе, имеющего величину незамкнутого участка зазора под сварку, превышающую 40 мм после окончательного формования. В этом случае оба конца и центр в осевом направлении трубы были временно сварены с замыканием отверстия, используя другое прессовое оборудование, после чего участок G зазора под сварку был окончательно сварен по всей длине. Круглость 2,5% перед экспандированием трубы, которая достигает величины 1,0% или меньше после экспандирования трубы, была принята как приемлемая.
В образцах №№ A1 - A7, A9 и A10 в таблице 3 и №№ B1 - B7, B9 и B10 в таблице 4, которые входят в группу образцов настоящего изобретения, величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая, и круглость также удовлетворительная. В частности, образцы с ограничивающим диапазоном от 90 градусов до 110 градусов имеют круглость 1,0% или меньше даже без экспандирования трубы. Чем меньше средняя величина ограничивающего диапазона, тем меньше сила давления.
В отличие от этого в образцах №№ A8 и A11 в таблице 3 и №№ B8 и B11 в таблице 4, в которых ограничивающие диапазоны верхней полуматрицы 4 и нижней матрицы 5 являются комбинацией 60 градусов и 90 градусов, величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая, но круглость неудовлетворительная. В образцах №№ A12 - A16 в таблице 3 и №№ B12 - B16 в таблице 4, в которых средняя величина ограничивающих углов 60 градусов или меньше, величина незамкнутого участка зазора под сварку большая. В частности, в образцах №№ A15 и A16 в таблице 3 и образце № B16 в таблице 4 нельзя измерить круглость, поскольку сварной участок разрушился после сварки участка G зазора под сварку.
В образце, сформованном с использованием заготовки B предварительной формы, имеющей неизогнутый участок шире неизогнутого участка заготовки A предварительной формы, по сравнению с образцом, сформованным с использованием заготовки A предварительной формы, сила давления и круглость практически такие же, но величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая.
Пример 3
1
1
Стальной лист с кромками под сварку, имеющий ширину 2687 мм, длину 1000 мм, толщину 50,8 мм и предел прочности на разрыв 779 МПа, был подвергнут загибу кромки с последующей гибкой давлением для получения заготовки S предварительной формы. В дальнейшем было выполнено окончательное формование заготовки S предварительной формы с помощью прессового оборудования 30 МН, используя верхнюю полуматрицу 4 и нижнюю полуматрицу 5 с различными ограничивающими диапазонами для формования заготовок A и B предварительной формы. В таблице 5 и таблице 6 указаны профили заготовок A и B предварительной формы. В таблице 5 и таблице 6 начальные буквенные символы A и B в колонке «№» обозначают профили заготовок предварительной формы (заготовок A и B), а цифры, следующие за буквенными символами A и B, обозначают комбинацию ограничивающих диапазонов верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5.
21
22
11
12
21
22
11
12
В таблице 5 приведены данные о заготовке A предварительной формы по условию A, в которой неизогнутый участок имел ширину 224 мм (W/12), центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 73 градуса, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 72 градуса. В таблице 6 приведены данные о заготовке B предварительной формы по условию B, в которой неизогнутый участок имел ширину 448 мм (W/6) (двойная ширина по сравнению с условием A), центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 58 градусов, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 59 градусов. Заготовки A и B предварительной формы являются симметричными по отношению к прямой линии, соединяющей центр концевого участка по ширине листа с 1/2 ширины листа, и в таблице 5 и таблице 6 указана величина участка на 1/2 ширины листа. Величина давления при окончательном формовании была задана таким образом, что расстояние между стороной наружной поверхности участка W/2 и стороной наружной поверхности краевого участка по ширине листа составляло 905 мм.
2
2
После измерения величины незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы S, выполненного после окончательного формования заготовок A, B и C предварительной формы, зазор G под сварку открытой трубы S был сварен для образования стальной трубы, имеющей наружный диаметр 905 мм. После этого диаметр стальной трубы измерили в восьми точках с шагом 22,5 градуса в окружном направлении и получили разницу между максимальным диаметром и минимальным диаметром. В таблице 5 и таблице 6 также указан профиль матрицы (ограничивающий диапазон), сила давления, величины незамкнутого участка зазора под сварку и круглость. В рассматриваемом случае круглость является величиной, полученной посредством деления разницы между максимумом и минимумом на наружный диаметр стальной трубы.
Сварочный аппарат, используемый в этом примере, не мог обеспечить замыкание отверстия в трубе, имеющего величину незамкнутого участка зазора под сварку, превышающую 40 мм после окончательного формования. В этом случае оба конца и центр в осевом направлении трубы были временно сварены с замыканием отверстия, используя другое прессовое оборудование, после чего участок G зазора под сварку был окончательно сварен по всей длине. Круглость 2,5% перед экспандированием трубы, которая достигает величины 1,0% или меньше после экспандирования трубы, была принята как приемлемая.
В образцах №№ A1 - A7, A9 и A10 в таблице 5 №№ B1 - B7, B9 и B10 в таблице 6, которые входят в группу образцов настоящего изобретения, величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая, и круглость также удовлетворительная. В частности, образцы с ограничивающим углом от 90 градусов до 110 градусов имеют круглость 1,0% или меньше даже без экспандирования трубы. Чем меньше средняя величина ограничивающего диапазона, тем меньше сила давления.
В отличие от этого в образцах №№ A8 и A11 в таблице 5 и №№ B8 и B11 в таблице 6 в которых ограничивающие диапазоны верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 являются комбинацией 60 градусов и 90 градусов, величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая, но круглость неудовлетворительная. В образцах №№ A12 - A16 в таблице 5 и №№ B12 - B16 в таблице 6, в которых средняя величина ограничивающих диапазонов 60 градусов или меньше, величина незамкнутого участка зазора под сварку большая. В частности, в образцах №№ A15 и A16 в таблице 5 и образце № B16 в таблице 6 нельзя измерить круглость, поскольку сварной участок разрушился после сварки участка G зазора под сварку.
В образце, сформованном с использованием заготовки B предварительной формы, имеющей неизогнутый участок шире неизогнутого участка заготовки A предварительной формы, по сравнению с образцом, сформованным с использованием заготовки A предварительной формы, сила давления и круглость практически такие же, но величина незамкнутого участка зазора под сварку небольшая.
Пример 4
1
1
21
22
11
12
Для изготовления стальной трубы с заданным наружным диаметром от 621 мм до 687 мм стальной лист с кромками под сварку, имеющий ширину 1826 - 2032 мм, длину 1000 мм, толщину 40 мм и предел прочности на разрыв 635 МПа, был подвергнут загибу кромки с последующей гибкой давлением для получения заготовки S предварительной формы. В дальнейшем было выполнено окончательное формование заготовки S предварительной формы с помощью прессового оборудования 30 МН, используя ряд верхних полуматриц 4 и нижних полуматриц 5 с радиусом дугообразного участка 327 мм и ограничивающим диапазоном 45 градусов для формования заготовок D1 - D11 предварительной формы. В таблице 7 указаны условия гибки заготовок D1 - D11 предварительной формы. Каждая из заготовок D1 - D11 предварительной формы имеет неизогнутый участок шириной W/12, центр которой расположен на участке W/4 от конца по ширине листа согласно исходной ширине W листа, угол θ, θ между касательной на концевом участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 75 градусов, и угол θ, θ между касательной на центральном участке по ширине листа и касательной на участке W/4 составлял 75 градусов. Во время окончательного формования обработка давлением была выполнена таким образом, что расстояние между стороной наружной поверхности участка W/2 и стороной наружной поверхности конца по ширине листа достигает величины, соответствующей исходной ширине W листа, как показано в таблице 7. В таблице 7 также указан наружный диаметр стальной трубы после обработки давлением во время окончательного формования.
2
Была измерена величина незамкнутого участка зазора под сварку открытой трубы S после окончательного формования заготовок D1 - D11 предварительной формы. В таблице 7 также указана сила давления и величина незамкнутого участка зазора под сварку.
В образце № D6 в таблице 7, в котором соотношение радиуса дугообразного участка и наружного радиуса стальной трубы 1,00, величина незамкнутого зазора под сварку является наименьшей, и когда наружный радиус стальной трубы уменьшается или увеличивается, величина незамкнутого зазора под сварку увеличивается. Величина незамкнутого зазора под сварку, равная 40 мм или меньше, которая может быть замкнута с помощью сварочного аппарата, используемого в примере 1, была достигнута в образцах №№ D2 - D10 в таблице 7, и соотношение радиуса дугообразного участка и наружного радиуса стальной трубы составляет 0,96 - 1,04. Величина незамкнутого зазора под сварку, равная 50 мм, которая не может вызывать разрушение сварного участка в примере 1, также была достигнута в образцах №№ D2 - D10 в таблице 7, и соотношение радиуса дугообразного участка и наружного радиуса стальной трубы составляет 0,96 - 1,04.
Несмотря на то, что величина незамкнутого зазора под сварку, которая может быть замкнута посредством сварки участка G зазора под сварку, и величина незамкнутого зазора под сварку, которая не вызывает разрушения сварного участка, варьируются в зависимости от сварочного оборудования и способа сварки, рекомендуемые величины радиусов дугообразного участка верхней полуматрицы 4 и нижней полуматрицы 5 составляют 0,96 - 1,04 наружного радиуса стальной трубы.
По настоящему изобретению могут быть предложены способ изготовления стальной трубы для эффективного формования стальной трубы, имеющей надлежащую круглость, и матрица.
Перечень номеров позиций
1 - матрица
1a - элемент в форме бруска
1b - элемент в форме бруска
2 - пуансон
2a - передний конец пуансона
2b - опора пуансона
3 - транспортировочный ролик
4 - верхняя полуматрица
4a - дугообразный участок
1
4b - линейный участок и дугообразный участок небольшой кривизны
2
4b - линейный участок и дугообразный участок небольшой кривизны
5 - нижняя полуматрица
5a - дугообразный участок
1
5b - линейный участок и дугообразный участок небольшой кривизны
2
5b - линейный участок и дугообразный участок небольшой кривизны