УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРАЛЬНО-ПРОФИЛИРОВАННЫХ ТРУБ
SPIRAL PROFILED TUBE MANUFACTURING DEVICE

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, конкретно - к трубопрофильному производству.
Известно устройство для получения спирально-профилированных труб по а.с. СССР №555957, кл. В21Н 7/14, 1977, содержащее шпиндель, формующие ролики и роликодержатели, в шпинделе выполнены цилиндрические пазы, в которых размещены подшипники скольжения. В подшипниках установлены втулки с прямоугольными отверстиями. Каждый роликодержатель выполнен с фланцем и размещен в прямоугольном отверстии втулки с возможностью радиального перемещения. Между фланцами роликодержателей и втулками установлены пружины сжатия. Роликодержатели с формующими роликами установлены с возможностью изменения их углового положения относительно оси подачи трубной заготовки. Роликодержатели самоустанавливаются относительно оси подачи в зависимости от скорости подачи и угловой скорости вращения шпинделя.
Недостатками рассмотренного устройства являются невозможность получения профильных труб с большими углами подъема винтовой линии профиля вследствие заклинивания заготовки, недостаточная точность получаемых геометрических размеров профиля, невозможность точного контроля величины прогиба граней.
Указанные недостатки вызваны тем обстоятельством, что при профилировании труб деформация осуществляется путем воздействия роликов на наружную поверхность трубы, при этом внутренняя поверхность трубы свободно деформируется, поскольку внутри трубы отсутствует оправка. Вследствие этого, а также из-за неизбежных колебаний размеров исходной трубы (диаметра и толщины стенки) и ее механических свойств, а также условий трения, возникают значительные неточности размеров, как по внутреннему диаметру профильной трубы, так и по форме профиля.
Возможно также нарушение прямолинейности продольной оси трубы вследствие ее изгиба.
6
Прототипом заявляемого устройства принято устройство, описанное в патенте РФ №2121405 МПК B21D 15/04, 1999. Это устройство содержит профильную оправку, спрофилированную в форме заданного винтового профиля, и снабжено приводом для совместного постоянного вращения трубной заготовки с закрепленной внутри нее в осевом направлении профильной оправкой. Устройство содержит также обкатную головку с профилирующими роликами в виде тел качения, установленных на штифтах с возможностью вращения под углом к оси трубы, который равен углу накатываемой винтовой линии, причем количество роликов равно числу профилируемых канавок.
Недостатком устройства-прототипа является ограниченная длина получаемых профильных труб, трудность извлечения оправки из трубы после профилирования, недостаточная точность формы внутренней поверхности профильной трубы и ее низкое качество.
Ограниченность длины получаемых труб вызвана тем, что длина получаемой профильной трубы равна длине применяемой профильной оправки. Однако изготовление профильной оправки, которая имеет сложную криволинейную геометрическую форму, высокую твердость и чистоту поверхности, представляет собой весьма сложную задачу, которая значительно возрастает с ростом длины оправки. Кроме того, оправка значительной длины будет в поперечном направлении недостаточно жесткой и при профилировании прогибается. При профилировании труба охватывает оправку. С ростом длины оправки величина усилия, необходимого для ее извлечения, возрастает прямо пропорционально росту длины оправки. Вследствие этого трудность извлечения оправки значительной длины из трубы является весьма существенной. Все сказанное ограничивает длину профильной оправки и, следовательно, длину получаемых профильных труб.
Низкая точность внутренней поверхности профильной трубы вызвана тем, что оправка подобного типа в связи со значительной величиной сил сопротивления может быть введена в трубу только с радиальным зазором, и в связи с этим получение точного профиля последующей обкаткой (без продольного удлинения трубы) практически невозможно. В особенности это касается точности профиля при вершинах многоугольника поперечного сечения трубы.
Низкое качество внутренней поверхности трубы вызвано тем, что после осуществления процесса весьма вероятно заклинивание длинной оправки в готовой трубе, в связи с чем требуется извлечение («выкручивание») оправки из трубы при значительной площади поверхностей трения. При проведении извлечения весьма вероятно появление задиров, глубоких рисок вследствие налипания материала на оправку. В особенности этот эффект может проявляться при профилировании труб из труднодеформируемых материалов (например, титановых сплавов или нержавеющей стали) и при получении профиля, имеющего остроконечные вершины поперечного сечения (например, треугольного).
Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего получать спирально-профилированные трубы, имеющие значительную длину, повышенную точность и качество внутренней поверхности для получения винтовых труб с требуемыми параметрами профиля.
Задача решена созданием устройства для получения спирально-профилированных труб из трубных заготовок, содержащего профильную оправку, которая имеет форму заданного винтового профиля и профилирующие ролики в виде тел качения, размещаемые под углом к оси трубной заготовки, равным заданному углу подъема винтовой линии, отличающегося тем, что устройство снабжено оправкодержателем в виде стержня, установленного неподвижно в осевом направлении с возможностью его свободного вращения относительно своей продольной оси и установленной на нем профильной оправкой, а также шпинделем, смонтированным на подшипниках качения с возможностью его свободного вращения относительно оси трубы, а профилирующие ролики установлены на осях, которые, в свою очередь, размещены в шпинделе. Профильная оправка выполнена с заходным коническим участком. Профилирующие ролики установлены в шпинделе на упругих элементах закручивания с возможностью угловой самоустановки.
Такое техническое решение позволяет получить профильные трубы высокой точности, как по профилю поперечного сечения, так и по углу закручивания и прямолинейности оси профиля. Возможно получение значительных (до 50-90°) углов подъема винтовой линии профиля. Возможен точный контроль внутреннего профиля трубы, поскольку используется обкатывание трубы роликами, что позволяет избежать операции подготовки поверхности трубы, смазки, а также снизить расход энергии в процессе профилирования. Стойкость профилирующего инструмента значительно выше, чем у прототипа, его стоимость значительно ниже.
Такое техническое решение позволяет получать профильные трубы значительной длины. Действительно, при использовании предлагаемого устройства длина получаемой профильной трубы определяется не длиной профильной оправки, как в прототипе, а только длиной стержня, на котором закреплена короткая оправка. Длина этого стержня может быть принята весьма значительной (до 8..10 м), т.е. в несколько раз больше, чем ранее. При этом длина самой оправки принимается намного меньше, чем ранее.
Точность профиля получаемых труб может быть такой, которая определена при механической обработке оправки, т.е. быть весьма высокой. Действительно, по мере продвижения по конусной части оправки трубы последняя предварительно обтягивает выступы оправки, а затем профилирующими роликами, свободно вращающимися вокруг оси трубы, участки трубы, которые ранее не соприкасались с оправкой, вдавливаются, обеспечивая плотный охват профильной трубой оправки. Дополнительно точность профиля трубы обеспечивается тем, что ролики, предварительно выставленные на заданный угол подъема винтовой линии, могут самоустанавливаться на некоторый угол, обеспечивая полное совпадение винтовых линий оправки и блока роликов.
Устройство для получения спирально-профилированных труб показано схематично на фиг.1, где также даны поперечные сечения по длине оправки (сечения А-А и Б-Б); на фиг.2 показана профильная оправка, используемая в предлагаемом устройстве; на фиг.3 приведены фотографии трубы, полученной с использованием предлагаемого устройства.
Устройство (фиг.1) содержит профильную оправку 1, имеющую профилированную часть в форме заданного винтового профиля и заходный конический участок, которая установлена на неподвижном в осевом направлении стержне-оправкодержателе 2, имеющем возможность свободного вращения относительно своей продольной оси. Стержень закреплен в осевом направлении на отсоединяемом упоре 3. Профилирующие ролики 4 установлены на осях 5, которые имеют возможность свободного вращения в подшипниках, закрепленных в роликодержателях 6. Роликодержатель удерживается в корпусе шпинделя 7 посредством регулировочного диска 8, поворотом которого производится установка угла поворота профилирующих роликов относительно оси трубы. Фиксация регулировочного диска в необходимом положении производится установочным винтом 9. Для компенсации неточности установки угла поворота роликов предусмотрен упругий элемент закручивания, например муфта 10, которая допускает самоустановку роликодержателя 6 с роликом 4 на некоторый угол. Корпус шпинделя 7 установлен на подшипниках 11 с возможностью свободного вращения вокруг оси трубы.
Устройство снабжено также проталкивателем 12 для подачи трубы к профилирующим роликам.
Значение угла конусности оправки принимаем при изготовлении стальных труб на твердосплавной оправке по данным для трубоволочильного инструмента в пределах 9..15° (см. И.Л.Перлин, М.З.Ерманок. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971, с.436, приложение 3).
з
о
к
Профильная оправка (фиг.2) содержит заходный конический участок l. Кроме того, оправка имеет профилированную часть, причем длина участка l равна длине очага пластической деформации по вдавливанию профилирующего ролика в трубу. Профильная часть оправки содержит также калибрующий участок l, который необходим для того, чтобы стабилизировать внутренний размер трубы после пластической деформации профилирования.
Длину калибрующего участка оправки следует принимать по апробированным на практике данным для трубоволочильного инструмента в пределах 0,1..0,2 от диаметра трубы (см. И.Л.Перлин, M.З.Ерманок. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971, с.437, приложение 4).
з
Длина участка l находится по формуле
где Δh - глубина вдавливания ролика;
α - угол конусности;
о
а длина участка l - по формуле
где R - радиус профилирующего ролика;
к
l=(0,1..0,2)d;
где d - внутренний диаметр трубы.
з
о
к
Если принять d=40 мм; R=150 мм; Δh=4 мм, tgα=0,1, то l=20 мм, l=25 мм, l=8 мм, т.е. общая длина оправки составит 53 мм.
Оправку такой длины можно изготовить механической обработкой весьма точно и с высокой чистотой поверхности. Для такой оправки при ее изготовлении можно применить твердый металлокерамический сплав. Тогда усилие стягивания трубы с оправки будет весьма мало, а внутренняя поверхность трубы будет иметь высокую чистоту поверхности. С использованием твердосплавной оправки можно профилировать трубы из таких материалов, как титановые сплавы и нержавеющие стали.
Устройство для получения спирально - профилированных труб работает следующим образом. Оправку 1 со стержнем 2 отсоединяют от упора 3 и на стержень 2 надевают гладкую трубную заготовку. Оправку 1 со стержнем 2 соединяют с упором 3, и при помощи заталкивателя 12 проталкивают трубу через оправку 1 и роликовый блок до выхода конца трубы из роликового блока. Отпрофилированный конец трубы захватывают тянущим устройством одной из известных конструкций и усилием Р осуществляют протягивание трубы вплоть до завершения процесса профилирования всей заготовки трубы. При осуществлении процесса корпус шпинделя 7 с роликодержателями и оправка свободно вращаются, ролики катятся по трубе, осуществляя планетарное движение.
з
к
Рассмотрим процесс деформации трубы более подробно. На конической части оправки l труба плотно охватывает оправку по вершинам профильных граней (см. фиг.1, сечение А-А), при этом на вогнутых частях оправки остается зазор. По мере дальнейшего продвижения трубы она деформируется профильными роликами и полностью повторяет профиль оправки, что позволяет получить высокую точность профиля (см. фиг.1, сечение Б-Б). На участке калибровки l осуществляется стабилизация размеров профиля.
В процессе предварительной настройки устройства профилирующие ролики настраиваются по углу подъема винтовой линии оправки. Возможные неточности настройки и другие вероятные отклонения процесса компенсируются в процессе закручивания упругих элементов, которые допускают некоторую небольшую подстройку роликов.
Поскольку процесс профилирования и снятия трубы с оправки совмещены, то производительность устройства повышается.
На опытном устройстве, изготовленном по приведенному выше описанию, получили спирально-профилированную трубу (фиг.3) с такими параметрами: толщина стенки 3,8 мм, диаметр описанной окружности профиля 49 мм, угол подъема винтовой линии 79°.