Текст книги "Производство заготовок. Трубы"

Разновидностью труб являются воздуховоды, производство которых связано с выполнением жестяных работ, которые осуществляют в различных отраслях хозяйства, в том числе в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве и др.

Примерами жестяных изделий, то есть примерами выполнения жестяных работ при их изготовлении являются:

– изделия систем вентиляции, (воздуховоды, рисунок 14);

– защитные покрытия тепловой изоляции, (кожуха или футляра);

– устройства для транспортировки сыпучих грузов (лотки, бункера);

– элементы кузовов легковых автомобилей, кабины грузовых автомобилей и сельскохозяйственных машин и механизмов (при их ремонте);

– изделия хозяйственно-бытового назначения бидоны, ведра и др.);

– металлическая кровля (скаты, косяки, карнизы и водостоки).

Основные требования, предъявляемые к жестяным изделиям, следующие: высокая прочность, широкий спектр габаритных размеров, минимальная масса, технологичность и экономичность, удобство и безопасность обслуживания, транспортабельность, эргономичность и эстетичность.

Основным материалом для выполнения жестяных работ являются: тонколистовые (толщиной от 0,2 до 4 мм) листовые, полосовые, рулонные, ленточные и угловые стали. Причем тонколистовая сталь бывает в виде горячекатанной черной жести и кислото– и коррозионно-стойкой оцинкованной жести. Из цветных металлов в жестяных работах используют алюминий, медь, ттитан и их сплавы.

а – воздуховод; б – переходы; в – отводы и патрубок ответвления; г – тройники и крестовины; прямые участки д – круглого и е – прямоугольного сечения, ж – с патрубком ответвления

1– прямые участки; 2 – переход с круглого сечения на квадратное; 3 – отводы; тройники 4 – штанообразный и 5 – прямые;

Рисунок 14 – Воздуховод и его фасонные части различных участков

При изготовлении систем и устройств, в состав которых входят жестяные изделия, выполняют заготовительные и монтажно-сборочные работы. При заготовительных жестяных работах осуществляют различные технологические операции. Причем операциями ОМД выполняют:

– правку листового металла, – разделение (разрезание, отрубка, пробивка отверстий);

– формоизменение заготовок (гибка, зиговка, образование бортов и т.д.);

– соединение заготовок (клепаное, фальцованное).

Правку листового металла и изготовляемых из него заготовок осуществляют, преимущественно, механизированным способом, на листоправильных станках. Для формоизменения заготовок применяют образование бортов и изгибов, зиговку.

Гибкой листов из стали и цветных металлов получают заготовки для изделий цилиндрической, конической или прямоугольной формы. Для изделий цилиндрической и конической формы операцию гибки, называют выкаткой. Ее выполняют в холодном состоянии на вращающихся листогибочных станках. Для операции гибки профилей в одной или нескольких плоскостях применяют кромкогибочные, профилегибочные и другие станки. Ручная гибка осуществляется на опорном инструменте и в оправках.

Соединение заготовок в жестяных работах осуществляют сваркой (преимущественно контактной) и операциями ОМД, причем, последние выполняют холодной клепкой и фальцовкой.

Фальцовка металла – операция по получению неразъемных соединений с помощью фальцевых швов (рисунок 15).

Фальцовку применяют при изготовлении из листовых заготовок и других фасонных частей, воздуховодов, кожухов тепловой изоляции сосудов для хранения жидкостей и сыпучих материалов.

Зиговка – операция, выполняемая с целью образования на листовом металле выступов и углублений (зигов – валиков жесткости). Операцию выполняют на фасонных роликах, между которыми пропускается листовой металл. К зиговке относятся: отгиб кромок на деталях криволинейной формы, гофрирование (создание волнообразных складок) звеньев воздуховодов и т.п.

Фальцы могут быть изготовлены с применением специального оборудования – фальцепрокатных и фальцезакаточных станков.

а – стоячий одинарный фальц; б – стоячий двойной фальц; в – одинарный лежачий фальц с двойной отсечкой; г – двойной лежачий фальц; д – одинарный угловой фальц; е – комбинированный угловой фальц.

Рисунок 15 – Основные типы фальцевых соединений

Образование бортов в заготовке – операция, выполняемая для отгибания наружу кромок заготовок. Образование борта проводят на зиговочных машинах.

К вспомогательным материалам, используемым при изготовлении и монтаже жестяницких изделий, относятся крепежные детали, сварочная проволока, электроды, припои, лакокрасочные материалы и др.

2.2 Производство цельных (бесшовных) труб

Производство цельных (бесшовных) труб осуществляется несколькими видами, такими как винтовая прокатка с последующей раскаткой гильзы (рисунки 16 и 17, 18), выдавливание (прессование (рисунки 25, 28) и литье труб (рисунки 29 – 34).

Винтовая прокатка заключается в том, что нагретую круглую болванку пропускают между двумя бочкообразными валками вращающимися навстречу друг другу (рисунок 16), при этом, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя вращается между валками, а вследствие их формы различные части заготовки движутся с разными скоростями и поэтому метал заготовки скручивается и вытягивается, а в осевой зоне происходит его разрыхление и возникает полость, которая постепенно распространяется по всей длине заготовки.

Рисунок 16 – Схема расположения прошивного стана и прошивки заготовок с бочкообразными валками

Пройдя через валки, заготовка насаживается на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости придается правильное круглое сечение (рисунок 16 б) и получается толстостенная заготовка (гильза).

Полученные на прошивных станах толстостенные трубные заготовки (гильзы) далее раскатывают в горячем состоянии на раскатных станах различной конструкции в тонкостенные трубы. Прокатка осуществляется на периодических, автоматических, непрерывных или трех валковых станах.

Периодический стан (пильгерстан) представляет собой нереверсивный двухвалковый стан. Валки его имеют круглый калибр переменного сечения (рисунок 17 б). Металл подается в валки навстречу их вращению. На этом стане производится прерывно – периодическая (пилигримовая) раскатка горячей гильзы в трубу на цилиндрической оправке. На рисунке 17 а дана схема процесса раскатки на этом стане при различных положениях 1, 2, 3, 4.

В процессе прокатки непрерывно чередуются прямой и обратный ход с периодическим поворачиванием гильзы вокруг своей оси. Деформация трубной заготовки (гильзы) осуществляется правой стороной калибра (рисунок 17 б), на поверхности которого имеются три участка б, с и д. На участке б происходит захват гильзы, на участке с обжатие ее; на обоих участках профиль и радиус ручья переменные. На участке д происходит раскатка трубы и сглаживание ее поверхности, на этом участке радиус ручья постоянный.

Левая часть валка с имеет меньший радиус. Труба на этом участке с валками не соприкасается (холостой участок), что дает возможность свободно перемещать ее в направлении подачи.

За каждый оборот валков прокатывается часть гильзы длиной от 8 до 30 мм в часть трубы длиной от 80 до 160 мм. Во время раскатки гильзы оправка нагревается до температуры свыше 300 ^оС, поэтому ее приходится сменять и охлаждать. По этой причине раскатку каждой гильзы производят на отдельной оправке. Задний конец гильзы на этих станах не докатывается и отрезается на пилах горячей резки.

На периодических станах получают трубы диаметром от 50 до 615 мм при длине от 10 до 30 м. Толщина стенки трубы от 2,5 до 8 мм. Производительность этих станов при диаметре трубы в 200 мм составляет до 1500 м за смену. Общая производительность их от 80 до 250 тыс. т в год. После раскатки на периодических станах трубы поступают на обкатный стан и далее на калибровочный стан с валками круглого калибра. В нем происходит калибровка труб по размерам (по диаметру), затем они передаются на правильный пресс, холодильник (для охлаждения), трубоотрезной станок для резки труб по длине, весы, контрольный пресс и далее на склад готовой продукции. Все это оборудование располагается последовательно по технологическому циклу в комплексную трубопрокатную установку по выпуску бесшовных труб различных размеров.

а – схема процесса прокатки; б – деформация гильзы правой стороной калибра

1, 2, 3, 4 – различные положения; б, с и д – три участка калибра

Рисунок 17 – Схема процесса и форма калибра валков для раскатки трубы на периодическом стане (пилыгрстане)

Для различных видов машин и приборов требуются трубы с высоким качеством внутренней и внешней поверхности, высокой точностью размеров стенки трубы и ее формы. Такие трубы можно получить только в условиях холодной обработки: прокаткой в холодном состоянии и волочением. Данные способы позволяют изготовлять тонкостенные трубы диаметром 0,5 – 250 мм и более при толщине стенки 0,1 – 20 мм и выше. Исходным продуктом при этом являются горячекатаные трубы, получаемые прессованием.

Широкое распространение получило производство бесшовных труб из ряда цветных металлов (например, из меди, алюминия и их сплавов) путем прессования и последующего волочения на барабанных и реечных волочильных станах.

1 – неподвижная коническая оправка;

2 – калибр валковых сегментов; 3 – валковые сегменты

Рисунок 18 – Схема прокатки труб на стане холодной прокатки

Наибольшее распространение при производстве холоднокатаных труб диаметром от 16 до 450 мм и толщиной стенки от 0,2 мм и выше получили двухвалковые станы с периодическим режимом работы клети. Трубы в данном случае, как это видно из рисунка 18, прокатываются на неподвижной конической оправке 1, установленной в калибре валковых сегментов 2, укрепленных на рабочих валках. Ручьи выполнены переменным радиусом, меняющимся по длине окружности сегмента от радиуса, равного радиусу трубной заготовки (начальный размер), до радиуса готовой трубы (конечный размер). Такие валки устанавливают в клети на жесткой раме, совершающей возвратно-поступательное движение по рельсам на катках.

Наряду с рассмотренными раскатными станами раскатку применяют и для получения тонкостенных труб и деталей.

В современном машиностроении имеется тенденция к замене обработки металлов резанием операциями обработки давлением в холодном или горячем состоянии. Наряду с операциями штамповки в машиностроении, как и в металлургии, широко используют различные операции обработки заготовок пластическим деформированием с локализацией очага деформации. Ее используют как для окончательной отделки поверхностей, предварительно подготовленных резанием, так и для формообразования новых поверхностей.

Тонкие материалы, заготовки и детали получают раскаткой (прокаткой) более толстых заготовок. Отличительной особенностью указанных операций от операций штамповки также является локальный характер приложения деформирующего усилия, что позволяет существенно снизить удельное и общее суммарное усилие деформирования.

Процессы с локализацией очага деформации обеспечивают высокую точность и низкую шероховатость поверхности получаемого изделия, что в большинстве случаев позволяет исключить из технологического процесса получения деталей дальнейшую механическую обработку.

Результатом использования указанных процессов является снижение расхода металла и трудоемкости изготовления деталей до 30 %, при этом также происходит деформационное упрочнение поверхностного слоя и это обеспечивается за счет получение напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя, в котором возникают, обычно благоприятные, остаточные сжимающие напряжения, что сопровождается упрочнением металла.

О степени упрочнения детали можно судить по результатам измерения твердости поверхностного слоя. Степень упрочнения и величина остаточных напряжений изменяются по глубине упрочненного слоя. В поверхностном слое детали она может колебаться в больших пределах, от нескольких микрометров до десятых долей миллиметра.

К операциям обработки пластическим деформированием с локализацией очага деформации относится: штамповка вальцовкой (прокатка), раскатка, вытяжка, обкатка и накатка.

Штамповка вальцовкой бывает продольной, поперечной и винтовой (см. с. 41).

Раскатку применяют для уменьшения толщины стенки полых гильз полученных вытяжкой.

Вытяжку применяют для получения из плоских листовых или полых заготовок, полые детали разнообразной формы не требующие, как правило, дальнейшей обработки, кроме обрезки неровного края. Полученные гильзы могут иметь диаметр (или длину) – от нескольких миллиметров до нескольких метров и толщину стенки – от десятых долей до десятков миллиметров.

Вытяжку осуществляют в специальных штампах, рабочие органы которых: матрица со скругленной рабочей кромкой и пуансон. Если необходимо, то применяют прижимное кольцо. Между пуансоном и матрицей имеется зазор z, в который пуансон втягивает заготовку.

Для изготовления гильз вытяжкой применяют листовой металл, обладающий высокими пластическими свойствами: низкоуглеродистую качественную и конструкционную низколегированную сталь, алюминий и различные его сплавы, медь латунь и другие металлы.

Цилиндрические детали вытяжкой получают в один или несколько переходов (в зависимости от относительной высоты) (рисунок 19).

а – изделие; б -последовательность процесса

1– цилиндр; 2 – дно; 3 – заготовка; 4– изделие

Рисунок 19 – Схема последовательности изменения заготовки при вытяжке

Изготовление деталей вытяжкой осуществляется без нагрева заготовки, в холодном состоянии. Исключение – вытяжка толстолистового металла (толщиной свыше 20 мм), когда заготовку нагревают, для того чтобы снизить деформирующее усилие. При вытяжке заготовок из алюминиевых сплавов для повышения степени деформации за одну операцию применяют местный (локальный) электронагрев зоны пластической деформации.

Вытяжкой за одну операцию можно получить относительно неглубокие детали, высота которых не превышает 0,8 диаметра. При вытяжке более высоких деталей растягивающие напряжения, возникающие в стенке, возрастают настолько, что может наступить отрыв дна. В связи с этим процесс вытяжки необходимо разделять на несколько переходов, что уменьшает радиальные растягивающие напряжения в стенках вытягиваемой детали.

При вытяжке внешняя сила, передаваемая пуансоном, приложена к донной части вытягиваемой детали, краевая же ее часть остается свободной, не нагруженной внешними силами.

Способы вытяжки разделены на два основных типа:

– без искусственного уменьшения толщины стенки (вытяжка);

– с искусственным, преднамеренным уменьшением толщины стенки.

Вытяжку с утонением стенки осуществляют с незначительным или существенным изменением диаметра, в том числе комбинированная вытяжка, при которой предварительно вытянутую заготовку раскатывают на оправке.

Вытяжка без утонения стенки характеризуется существенным уменьшением диаметра заготовки при приблизительно неизменной толщине стенки вытягиваемой детали. Зазор между пуансоном и матрицей в штампе равен (больше) толщины заготовки (z ≥ s).

Вытяжка с утонением характеризуется существенным уменьшением толщины стенки при относительно малом уменьшении диаметра заготовки (рисунок 20). При вытяжке с утонением зазор z < s.

Рисунок 20 – Вытяжка с утонением через одну или несколько матриц

Раскатывание и обкатку применяют для отделки и упрочнения цилиндрических, конических, плоских и фасонных наружных и внутренних поверхностей. Раскатка бывает: с утонением стенки и с уменьшением сечения; с получением полых деталей из листовых заготовок.

Полученные гильзы раскатывают между валками для снижения толщины стенки и получения бесшовных труб (рисунок 21 а).

Такую же раскатку применяют для получения цилиндрических деталей, у которых толщина дна больше толщины стенок. К ним относятся: артиллерийские гильзы, гильзы стрелкового оружия, металлическая посуда с толстым дном, тюбики для пасты и пр. (рисунок 21 б). Для этого гильзу 1 устанавливают на оправку 3 и раскатывают между валками 2.

а – бесшовных труб; б – разнотолщинных заготовок

1 – оправка; 2 – ролики; 3 – исходная заготовка

Рисунок 21 – Схема раскатки с утонением стенки при получении труб

Вытяжку эластичной средой (резиной, рисунок 22, 23) выполняют эластичной подушкой (пуансоном) в жесткой матрице или жестким пуансоном в эластичной матрице.

Оба способа применяются для получения полных деталей из тонколистового материала. Резиновую подушку заключают в стальную обойму.

Рисунок 22 – Схемы штампов для формовки резиной пространственных деталей

Для выполнения операции вытяжки также применяют эластичный (резиновый) пуансон, который позволяет осуществлять не только осевую, но и радиальную вытяжку, например, при получении различных деталей, в том числе, гофрированных труб (сильфонов) (рисунок 22).

1 – предварительно вытянутая заготовка; 2 – ограничитель; 3 – упор; 4 – направляющие; 5 – стальная обойма; 6 – резиновая подушка

Рисунок 23 – Схема последующего перехода вытяжки эластичной матрицей

Наряду со штамповкой вальцовкой гильзы для последующей обработки получают выдавливанием – (прессованием, преимущественно материалом для этого становятся сплавы цветных металлов), которое осуществляют на кузнечно-прессовом оборудовании (КПО), преимущественно на гидравлических прессах. Обработка выдавливанием – это по сути штамповка в закрытом штампе, но при этом в контейнере матрицы имеется выходное отверстие, в которое выдавливается материал. Выдавленный металл представляет собой стержень (цельный или пустотелый) с постоянным сечением. При использовании сложного сечения получают профили как полые, так и сплошные (рисунок 24).

Рисунок 24 – Сечения и вид изделий (из пластмасс и алюминия), получаемых выдавливанием (полые и сплошные сечения)

При обработке выдавливанием, которое бывает прямое и обратное, комбинированное и боковое (рисунок 25), выходное отверстие матрицы имеет простое или сложное сечение и в него выдавливается стержень металла, являющийся исходным материалом для различных видов обработки.

Штамповка выдавливанием характеризуется следующими признаками:

а) высоким качеством получаемого материала;

б) объем металла в основной полости штампа уменьшается;

в) малым отходом металла.

При обратном и комбинированном выдавливании часть металла увеличивает общую высоту получаемой гильзы.

Выдавливание осуществляют на гидравлических прессах.

а – прямое; б – обратное; в – комбинированное; г – боковое; 1, 4 – плунжер; 2– контейнер-матрица; 3-деформируемый материал; 5 – гильза

Рисунок 25 – Схемы выдавливания (прессования)

Действие гидравлического пресса основано на ряде физических законов, в частности, на законе Паскаля, устанавливающем, что давление на поверхность жидкости, производимое внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.

Преимуществом гидравлических прессов является то, что скорость движения плунжера в них может быть различной (максимальная скорость деформирующего инструмента до 0,3 м/с); при этом можно обеспечить плавное или ступенчатое изменение усилия, как и выдержку под действием постоянной или переменной силы. Крупные заготовки обрабатывают на четырехколонных, а более мелкие – на одноколонных прессах. Вид и схема гидравлического пресса приведены на рисунке 26.

Если поместить в каждый из сообщающихся сосудов разного диаметра по плунжеру, то на основании этого закона, а также из условий равновесия можно определить давление жидкости в системе сообщающихся сосудов, Н/м²:

P₁/F₁=P₂/F₂, откуда P₂=P₁(F₂/F₁),

где Р₁ и Р₂ – усилия, приложенные соответственно к малому и большому плунжерам, Н;

F_t и F₂ – площади соответственно малого и большого плунжеров, м².

Наиболее слабым звеном в гидравлических прессах является гидропривод.

для схемы: 1– нижняя неподвижная поперечина; 2 – заготовка; 3 – колонна; 4 – подвижная поперечина; 5 – верхняя неподвижная поперечина; 6 – плунжер рабочего цилиндра; 7 – органы управления; 8 – трубопровод; 9 – плунжер насоса; 10 – возвратный плунжер; 11– возвратный цилиндр; 12 – подвижный стол

Рисунок 26 – Вид и схема гидравлического пресса

Элементы такой принципиальной схемы заложены в устройство любого гидравлического пресса: роль малого плунжера выполняет поршень насоса, подающего жидкость, а роль большого – рабочий плунжер пресса. Усилие, развиваемое прессом, определяют произведением давления жидкости на сумму площадей рабочих плунжеров. Согласно другим законам в замкнутой гидравлической системе перемещение одного плунжера вызывает такое перемещение другого плунжера, что объем жидкости в системе остается постоянным, поскольку жидкости практически несжимаемы.

Если малый плунжер пройдет большое расстояние H, то большой плунжер переместится на меньшее расстояние Н₂, то есть

Н₁/Н₂=F₂/F₁, откуда H₁=H₂ (F₂/F₁)

Таким образом, в гидравлическом прессе получают выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большего плунжера превышает площадь меньшего, и во сколько раз проигрывают в пути.

Листоштамповочный гидравлический пресс (рисунок 27) предназначен для выполнения различных операций холодной штамповки: гибки, вытяжки, отбортовки и т. п. Станина двухстоечного типа состоит из стола 1, двух стоек 2 и верхней поперечины 3, стянутых четырьмя стяжными болтами. Привод пресса – индивидуальный, от ротационно-плунжерного насоса производительностью 200 л/мин, приводимого электродвигателем мощностью 75 кВт. Ползун 4 пресса приводится тремя гидроцилиндрами, установленными на верхней поперечине. Ход ползуна 750 мм. В столе пресса установлен гидравлический выталкиватель.

В гидравлическом прессе усилием 2000 кН, схема которого показана на рисунке 26, силовая гидроустановка смонтирована в нижней части пресса. Главный цилиндр 9 жестко закреплен в станине 8 пресса. Ход ползуна 7 с помощью регулировочного устройства 10 может быть установлен в пределах от 30 до 200 мм. Пресс, предназначенный для холодной объемной штамповки, оснащен выталкивателем 6, ход которого от 5 до 60 мм.

Основной особенностью конструкции пресса является устройство для обеспечения движений верхней половины 5 штампа. Электропривод 4 обеспечивает различные виды движений (качаний) верхней половины 5 штампа, закрепленной в чашечной опоре 3. Деформируемую заготовку 2, установленную в нижней половине 1 штампа, как правило, предварительно фосфатируют и обмыливают или покрывают дисульфидом молибдена.

В гидравлическом прессе рабочая жидкость (масло) подается в рабочий цилиндр 1. Под давлением масла перемещается плунжер 2, соединенный с подвижной траверсой 9, которая передвигается в направляющих колоннах 3, опирающихся на станину 7. Возвратно-поступательное движение плунжер получает от двух насосов: поршневого 4 высокого давления и шестеренного 5 низкого давления. Оба насоса работают от одного электродвигателя 6. Во время работы пресса плунжер с траверсой нажимает на заготовку, установленную на столе 8. В столе и в траверсе имеются пазы для крепления штампов, а в столе, кроме того, есть отверстие для выталкивания заготовок. Цилиндр устройства, выталкивающего обработанные заготовки, расположен в нижней части станины. В прессах усилием 2000 кН силовая гидроустановка смонтирована в нижней части пресса. Главный цилиндр жестко закреплен в станине пресса. Ход ползуна с помощью регулировочного устройства может быть установлен в пределах от 30 до 200 мм. Пресс, предназначенный для листовой и холодной объемной штамповки, оснащен выталкивателем, ход которого от 5 до 60 мм.

1 – цилиндр; 2 —верхняя плита; 3 – стол; 4 – кнопки управления

Рисунок 27 – Гидравлический пресс усилием 2500 МН с индивидуальным насосом для штамповки небольших листовых деталей

Станина двухстоечного типа состоит из стола 3, двух стоек и верхней поперечины, стянутых четырьмя стяжными болтами. Привод пресса – индивидуальный, от ротационно-плунжерного насоса производительностью 200 л/мин, приводимого электродвигателем мощностью 75 кВт. Ползун (верхняя плита) 4 пресса приводится гидроцилиндром 1, установленным на верхней поперечине. Ход ползуна до 750 мм. В столе пресса установлен гидравлический выталкиватель.