Определение геометрических параметров профилировки инструмента при изготовлении труб с внутренними винтовыми нарезами прессованием

Увеличение мощности, производительности теплообменных и холодильных установок, а также обеспечение прочности и жесткости конструкций машин, уменьшение их габаритов и металлоемкости, достигаются за счет применения труб с внутренним винтовым оребрением.

Перспективность реализации процесса прессования полых профилей, с внутренним спиральным оребрением, подтверждается возможностью изготовления винтовых полуфабрикатов разнообразных сечений значительной длины с различным шагом винтовых ребер, как из цветных металлов и сплавов, так и малоплсатичных материалов.

Первыми странами, применившими способ изготовления труб с внутренними нарезами прессованием, являются Япония и США [1–3]. В отечественной металлургической и машиностроительной областях развитие способов и устройств изготовления винтовых полуфабрикатов последовало в период с 1967 по 1987 гг. Проведенный анализ научнотехнической информации, обобщенной профессором СГАУ имени академика С.П. Королева (НИУ) В.Р. Каргиным в работе [4], свидетельствует о том, что трубы с внутренним винтовым оребрением изготавливаются сравнительно недавно, технологические процессы их производства, а также калибровка инструмента, не получили достаточного теоретического обоснования.

На рис. 1 схематично изображено устройство для изготовления труб с внутренними винтовыми нарезами прессованием.

Так, например, как показано в работе [5], пресс-игла должна устанавливаться относительно матрицы так, чтобы положение нарезов на пресс-игле соответствовало калибрующему участку матрицы. Однако, в то же время, в работе [6] показано, что для гарантированной реализации предло- женного способа, в случае указанного положения пресс-иглы, необходимо выполнение соответствующего питателя на ней, выполненного сужением рабочей части пресс-иглы на длине, соответствующей коническому участку матрицы. В этом случае обеспечивается накопление металла, и последующее заполнение винтовых нарезов на пресс-игле, и последующее стабильное получение нарезов на внутренней поверхности трубы. Предложенная в работе [6] конструкция пресс-иглы решает задачу стабильного оребрения, но при этом, давление металла на торцевую поверхность питателя может привести к нарушению положения пресс-иглы относительно матрицы, а следовательно, и снижению качества внутренней поверхности трубы, за счет смятия ребрами пресс-иглы соответствующих ребер на внутренней поверхности трубы.

Рис. 1. Устройство для прессования труб с внутренними винтовыми нарезами: 1 – заготовка; 2 – контейнер; 3 – втулка контейнера; 4 – матрицедержатель; 5 – матрица; 6 – пуансон; 7 – пресс-шайба; 8 – пресс-игла; 9 – иглодержатель, передающий вращательное движение пресс-игле; 10 – труба готового размера; L – длина участка пресс-иглы с винтовыми нарезами

Рис. 2. Геометрические параметры системы «пресс-иглы – труба с внутренними винтовыми нарезами»

С целью обеспечения стабильности процесса прессования труб с внутренними винтовыми нарезами и сохранения качества внутренней поверхности изделия, предлагается выполнить на пресс-игле два участка нарезов с соответствующим шагом. Как показано на рис. 2, длина первого участка пресс-иглы L1 соответствует коническому участку матрицы, второго L2 – калибрующему и, соответственно, готовым нарезам на внутренней поверхности трубы.

Расчет геометрических параметров профилировки пресс-иглы необходимо производить против хода технологического процесса, начиная с готовой продукции. При этом исходными параметрами являются: диаметр трубы наружный D _Т , диаметр трубы внутренний d _T , шаг оребрения S , ширина ребра b , малый внутренний диаметр d _ТМ .

Большой и малый диаметр пресс-иглы трубопрофильного пресса выбирают с учетом двойной толщины смазочного слоя [7] на внутренней поверхности трубы, соответственно:

_д   d T - 2 ( 0,05 ^ 0,25 )

d и =        ;              ,                    ⁽¹⁾

1 - cT

_ d TM - 2 ( 0,05 ^ 0,25 )

^d им =        ,   _         ,               ⁽²⁾

1 - cT где с – коэффициент линейного расширения металла пресс-иглы; T – температура нагрева пресс-иглы в процессе прессования (в среднем T принимают на 50 °С выше температуры сменяемой матрицы, т. е. для расчета T принимают равной 450 °С).

Ширина нарезов b0 на пресс-игле примерно равна сумме ширины ребра на внутренней поверхности трубы b и двойного слоя смазки. Шаг наре- зов S на калибрующем участке пресс-иглы должен соответствовать шагу оребрения на трубе готового размера.

Для предотвращения смятия винтовых ребер на внутренней поверхности трубы пресс-иглой, необходимо чтобы за время, равное периоду обращения пресс-иглы T _П , труба перемещалась на расстояние одного шага S . Следовательно, скорость истечения металла трубы на выходе из матрицы должна определяться следующей зависимостью:

S иИСТ = ^ .                            (3)

T _П

Согласно зависимости (3) угловая скорость вращения пресс-иглы ю _ИГ определяется с учетом шага винтового оребрения:

, ,   - иИСТ

Как известно из теории прессования [8], для определения коэффициента вытяжки металла ц возможно использовать зависимость:

_ Цист ц           , иПР

где и ПР - скорость прессования.

Таким образом, обеспечивается согласование скоростей вращения пресс-иглы и перемещения пресс-шайбы:

^ПР =      .                              (6)

Известно [7], что коэффициент вытяжки при прессовании определяется отношением площадей поперечного сечения заготовки в распрессованном состоянии, определяемой с учетом диаметра участка пресс-иглы без нарезов dИ (как показано на рис. 1, в процессе прессования расположен внутри контейнера), и готового изделия. В свою очередь, площадь поперечного сечения готового изделия, в случае изготовления труб с внутренним винтовым оребрением, определяется площадью поперечного сечения пресс-иглы FИГ :

с _ ^{П d} И _и с ^F ИГ = “4    ^йF HAP ,

где n – число нарезов; F _НАР – площадь проекции

нареза на поперечное сечение пресс-иглы: b 1 2 F RAP = ² J 0

произвольных размеров, соответствующая форме условного нареза на пресс-игле, и измерена ее площадь. Так, значение измеренной площади совпало с вычисленным по полученной зависимости, причем третьим, а тем более четвертым членом ряда можно пренебречь без допущения значимой ошибки.

Однако при выполнении операции подстановки зависимости (11) в зависимость (7), она получится громоздкой, что в очередной раз увеличивает трудоемкость расчетов. Поэтому вводится новое понятие – условный диаметр d _УСЛ . Условный

d ²

—И + x2 dx — ab = 41

диаметр – это диаметр круга, равновеликого по площади поперечному сечению пресс-иглы:

b Jd 2 - b [² + d 2 arcsin —

= - И 1 И      d и где a = dИМ/2 ; значение величины b в явном виде измерению не поддается, так как винтовой нарез (канавка) проходит под углом к оси пресс-иглы, поэтому, как показано на рис. 3, b1 опреде-

ab ₁ ,            (8)

d

УСЛ = п

^{4 п d} И

к

—

—

^b 1⁷ 224 d _И ⁵

—

)) ab 1

))

ляется как b = b0/sin ф,

где b ₀ - ширина нареза на пресс-игле, ф - угол

подъема винтовой линии [9]:

Рис. 3. Схема определения угла подъема винтовой линии (вид сверху)

Для снижения трудоемкости выполнения оперативных расчетов с использованием зависимости (8) предлагается разложить функцию вида ^d И/4 + x ² в ряд Тейлора [10], проинтегрировав который, по-

лучим:

d И b b ³ b ⁵ b ⁷

F =--------- -— ab . ⁽¹¹⁾

^НАР 2   12 d И 80 d _И³ 224 d _И ^{5 1}

Для подтверждения достоверности зависимости (11), в программном комплексе автоматизированного проектирования была построена фигура

^b 1⁵

^b 1³

^d И ^b 1

^ПI 2    12 d И 80 d И

—

—

—

.

Аналогичным способом несложно получить условный диаметр для пресс-игл с требуемой формой нарезов. Таким образом, коэффициент вытяжки металла при прессовании труб с внутренним винтовым оребрением определяется как

D2

^ = ^К

D Т ²

—

d _И

—

d УСЛ

.

Как было показано ранее, пресс-игла имеет два участка нарезов, шаг на которых также отличен. Рассмотрим зависимость шага на участке пресс-иглы, соответствующем коническому участку матрицы. При этом в каждом поперечном сечении должна выполняться зависимость (4). Однако на коническом участке матрицы скорость течения металла в разных сечениях различна. В связи с этим, шаг S по длине пресс-иглы должен изменяться прямо пропорционально скорости течения металла:

⁵ = ^и ИСТ

S КОН где S _КОН

^{, и} КОН

– шаг нарезов на участке пресс-иглы,

соответствующем коническому участку матрицы;

и _КОН - скорость истечения металла на длине ко-

нического участка матрицы.

Скорость истечения металла на длине конического участка матрицы зависит от площади поперечного сечения конусного канала, сквозь который он перемещается:

S

^и Т _ D КОН

⁵ КОН   ^и КОН    D М

—

d УСЛ

—

2 , d УСЛ

где D _КОН – диаметр конического участка матрицы.

Таким образом, шаг винтового оребрения S _КОН на участке пресс-иглы, соответствующем коническому участку матрицы в любом ее сечении, определяется как

S

⁵ ( D Т²   d УУсл )

* КОН = _п2 D КОН

—

d У²СЛ

.

Однако условный диаметр при изменении шага нарезов и угла подъема винтовой линии тоже изменяется, то есть формулу необходимо переписать в виде:

^S ( D М - d УСЛ )

5 КОН = "Н, (17) DКОН d УК где dУК – условный диаметр участка пресс-иглы, соответствующего коническому участку матрицы (определяется по зависимости 12).

В качестве проверочного расчета шага винтового нареза рекомендуется определять величину ошибки:

^{A S} = | ⁵ КОН - ⁵ КП | , ⁽¹⁸⁾ где S _КП – поправочное значение шага винтового оребрения S _КОН на участке пресс-иглы, соответствующем коническому участку матрицы в сечении соответствующего D _КОН .

В случае если A S ^ 0, то есть ошибка мала, следует, что шаг рассчитан верно; в обратном случае необходимо повторное определение d _УК , предварительно присвоив S _КОН значение S _КП .

Как показано в работе [11], с целью автоматизации процесса расчета геометрических параметров профилировки пресс-иглы и кинематических режимов процесса прессования труб с внутренним винтовым оребрением планируется последующее использование представленного алгоритма для разработки программного комплекса определения названных параметров.