способ изготовления изделий с внутренними спиральными ребрами

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделий с внутренними спиральными ребрами, включающий накатку внутренней спирали обкатыванием трубной заготовки на введенной в нее оправке и деформацию заготовки в радиальном направлении силовой раскатной головкой с планетарно вращающимися давильными элементами, отличающийся тем, что перед накаткой внутренней спирали осуществляют настройку оправки по давильным элементам силовой раскатной головки на размер профиля ребра спирали, в процессе накатки внутренней спирали осуществляют одновременно перемещение трубной заготовки в осевом направлении, в качестве оправки используют профильную оправку, вращающуюся в одном направлении с силовой раскатной головкой с частотой вращения, равной частоте вращения упомянутой силовой раскатной головки, рабочая часть профильной оправки в продольном сечении выполнена в виде усеченного эллипсоида, а в поперечном - в виде симметричного многогранника с заходными и калибрующимися участками с числом граней, равным количеству давильных элементов силовой раскатной головки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осевую подачу трубной заготовки на один оборот силовой раскатной головки S выбирают равной ходу профиля спирали ребра, а настройку вращающейся профильной оправки по высоте профиля ребра осуществляют радиальным обжатием трубной заготовки давильными элементами силовой раскатной головки, выполненными регулируемыми, где S - осевая подача заготовки на один оборот силовой раскатной головки, мм/об.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления полых цилиндрических изделий с внутренними спиральными ребрами для теплообменных аппаратов.

Общеизвестный способ изготовления изделий с внутренними спиральными ребрами, применяемый в промышленности, например, на Первоуральском новотрубном заводе, состоит в прокате полосовой заготовки на профилированном валке с получением необходимого профиля ребра на полосе с последующей вальцовкой ребристой полосы в трубу и сваркой продольного шва.

Недостатками данного способа являются использование дорогостоящего специального прокатного и сварочного оборудования. Наличие продольного сварного шва на внутренней поверхности изделия ухудшает условия протекания теплообменных процессов и требует специальных методов контроля герметичности сварного соединения. Кроме того, сварка цветных металлов, обладающих высокими теплофизическими и коррозионными свойствами, таких как Cu, Al, Ti, Zn и т.д. , требует специальных способов защиты шва при сварке.

Также известен способ изготовления теплообменной трубы для однофазного потока с одним или более рядами выступов, выдавленных на внутренней поверхности трубы вдоль спиральной кривой, при котором трубную заготовку деформируют в радиальном направлении и обкатывают с помощью аксиальной силовой раскатной головки с планетарным вращением давильных элементов при одновременном осевом перемещении заготовки, причем хотя бы один из давильных элементов снабжен отдельно стоящими зубчатыми выступами на внешней периферийной части для создания, соответственно, радиально направленных внутрь выступов на внутренней поверхности указанной трубной заготовки [1].

Недостатком данного способа можно считать то, что он применим преимущественно для тонкостенных труб с плавноочерченными выступами и ребрами, которые служат, в основном, для турбулизации однофазных потоков.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий с внутренними спиральными ребрами, включающий накатку внутренней спирали обкатыванием трубной заготовки на введенной в нее оправке и ее деформацией в радиальном направлении силовой раскатной головкой с планетарно вращающимися давильными элементами [2].

Недостатком известного способа является сложность настройки оправки, не достаточно высокое качество изделий.

Технической задачей заявленного способа является повышение качества изделий с внутренними спиральными ребрами и расширение технологических возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что накатку внутренней спирали осуществляют обкатыванием трубной заготовки на введенной в нее оправке и ее деформацией в радиальном направлении силовой раскатной головкой с планетарно вращающимися давильными элементами. Перед накаткой осуществляют настройку оправки по давильным элементам силовой раскатной головки на размер профиля ребра спирали, в процессе накатки осуществляют одновременно перемещение трубной заготовки в осевом направлении, в качестве оправки используют профильную оправку, вращающуюся в одном направлении с силовой раскатной головкой с частотой вращения, равной частоте вращения силовой раскатной головки, рабочая часть профильной оправки в продольном сечении выполнена в виде усеченного эллипсоида, а в поперечном - в виде симметричного многогранника с заходными и калибрующими участками с числом граней, равным количеству давильных элементов силовой раскатной головки.

Кроме того, осевую подачу заготовки на оборот оправки S (мм/об) выбирают равной ходу профиля спирали ребра, а настройку на размер по высоте профиля ребра производят путем радиального обжатия заготовки регулируемыми давильными элементами силовой раскатной головки.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет проводить одновременное редуцирование трубной заготовки и позволяет формировать профиль спирали за один проход, что расширяет технологические возможности способа, заключающиеся в расширении диапазона внутреннего диаметра трубной заготовки, т.е. способ позволяет изготавливать изделия с внутренними спиральными ребрами при больших зазорах между внутренним диаметром трубной заготовки и профилированной оправкой. Все это расширяет технологические возможности и универсальность способа. Силовая раскатная головка может устанавливаться, к примеру, на планшайбе обычного универсального токарно-винторезного станка, что значительно упрощает конструкцию устройства для осуществления способа и не потребует эксплуатации сложного дорогостоящего прокатного оборудования. Осевая подача заготовки на оборот инструмента S (мм/об), равная ходу профиля спирали ребра, обеспечивает самовывинчивание трубной заготовки из зоны деформации, что в конечном счете облегчает процесс и способствует получению более точного профиля ребристой поверхности. Рассогласование частот вращения раскатной головки и профильной оправки приводит к увеличению трения между заготовкой, оправкой и давильным элементом в процессе работы, т.к. появляется дополнительное относительное движение профильной оправки по отношению к давильному элементу. Синхронизация же частот вращения головки и оправки исключает это трение, способствует уменьшению момента сопротивления деформации.

Формирование спирального профиля на внутренней поверхности заготовки идет в двух направлениях:

- в радиальном направлении, за счет обжатия заготовки давильными элементами раскатной силовой головки, формируется высота профиля ребра;

- в осевом направлении, за счет осевой подачи, равной ходу спирали ребра, идет формирование профиля по спирали.

Выполнение рабочей части профилированной вращающейся оправки в продольном сечении в виде усеченного эллипсоида с переменной глубиной профиля направлено на то, чтобы обеспечить облегченный заход, калибровку и сход сформированного профиля ребра с оправки в осевом направлении при формировании спирали, уменьшая тем самым момент сопротивления деформации.

В поперечном сечении рабочая часть вращающейся оправки представляет собой симметричный многогранник с заходными и калибрующими участками, причем число граней многогранника равно количеству давильных элементов силовой раскатной головки. Широкий заходный участок с переменной высотой профиля в поперечном сечении, где идет постепенное формирование профиля в радиальном направлении, и небольшой калибрующий участок с полным профилем ребра также облегчают формирование профиля ребра в радиальном направлении, что приводит к уменьшению трения в очаге деформации и в целом уменьшает момент сопротивления пластической деформации.

Регулируемые давильные элементы силовой раскатной головки позволяют плавно регулировать степень обжатия заготовки, что дает возможность управлять высотой профиля ребра, обеспечивая его требуемую точность.

Все вышеперечисленные моменты, а именно геометрия рабочей части профилированной вращающейся оправки, выполненной в виде усеченного эллипсоида в продольном сечении и симметричного многогранника с заходными и калибрующими участками в поперечном сечении, плавная регулировка степени обжатия заготовки, отсутствие относительного движения между оправкой и давильными элементами силовой раскатной головки, выполненное за счет согласования частот вращения и направления вращения силовой раскатной головки и профилированной оправки и равенства количества граней рабочей части оправки и количества давильных элементов, приводят к снижению момента сопротивления деформации при формировании профиля спирали, что позволяет вести процесс деформации и обкатки вхолодную, без нагрева, что, в свою очередь, дает возможность организовать подачу СОЖ в зону деформации на проход благодаря наличию зазоров между трубной заготовкой и многогранником профилированной оправки, а последнее обстоятельство позволит дополнительно снизить трение между заготовкой и оправкой, снять избыточное тепловыделение в зоне деформации, повысит стойкость оправки и стабилизировать процесс накатки.

Таким образом, изменен характер известных действий, а вышеперечисленные признаки предлагаемого способа приводят к достижению нового технического результата, который выражается в виде расширения технологических возможностей способа, его универсальности, простоты, а главное, в уменьшении момента сопротивления пластической деформации, что дает возможность вести процесс накатки при комнатных температурах. Признаки влияют на достигаемый технический результат, то есть признаки находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом, следовательно, признаки являются существенными.

В графических материалах заявки представлены:

фиг. 1 - схема устройства для осуществления способа в аксонометрии;

фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1;

фиг. 3 - рабочая часть профилированной оправки для осуществления способа.

На фиг. 4 представлен в продольном разрезе Б профиль рабочей части оправки.

На фиг. 5 - поперечное сечение В-В рабочей части оправки.

Силовая раскатная головка 1 имеет только вращательное движение вокруг собственной оси. Давильные элементы 2 силовой раскатной головки могут быть выполнены или в виде шариков или, как представлено на фиг. 1, роликов, имеют радиальное перемещение и позволяют вести плавную регулировку размера по диаметру. В процессе работы давильные элементы имеют планетарное вращение, обжимая и обкатывая трубную заготовку 3 с определенной степенью деформации, которую определяют методом пробных проходов. Степень обжатия зависит от профиля ребра, физико-механических свойств трубной заготовки, толщины стенки трубы и т.д.

Устройство осевой подачи 4 служит для крепления в нем заготовки 3, оно кинематически связано с силовой раскатной головкой 1 и обеспечивает заготовке 3 осевую подачу на один оборот силовой раскатной головки 1 S (мм/об), равную ходу профиля спирали при многозаходном или ее шагу при однозаходном профиле.

Профилированная вращающаяся оправка состоит из стебля 5 и рабочей части - 6. Стебель оправки 5 кинематически связан с силовой раскатной головкой 1. Рабочая часть оправки 6 представляет из себя бесстружечный метчик с симметричным многогранным профилем, количество граней которого равно количеству давильных элементов 2 силовой раскатной головки 1, имеющих полный профиль только на рабочих выступах 7.

В продольном сечении рабочая часть оправки 6 имеет форму усеченного эллипсоида с переменной глубиной профиля (фиг. 4), а в поперечном сечении (фиг. 5) - вид симметричного многогранника, к примеру 3-гранника с заходными 7 и калибрующими 8 участками. Профилированная вращающаяся оправка во время процесса кинематически связана с силовой раскатной головкой, что обеспечивает ей ту же частоту и направление вращения, что и у силовой раскатной головки. Однако вращающаяся оправка имеет возможность регулировки, например, посредством резьбового соединения 9, как в осевом, так и в тангенциальном направлениях.

Процесс накатки внутренней спирали на трубной заготовке состоит из процесса настройки и непосредственно накатки и осуществляется следующим образом.

Процесс настройки: разводятся давильные элементы 2 силовой раскатной головки 1. Профилированная вращающаяся оправка, состоящая из стебля 5 и рабочей части 6, полный продольный профиль которой должен соответствовать профилю накатываемого ребра, вставляется внутрь силовой раскатной головки 1, настраивается в осевом и тангенциальном направлении, для чего сводятся давильные элементы 2 силовой раскатной головки 1 до соприкосновения с рабочей частью оправки 6.

Настройку оправки по давильным элементам производят так, чтобы они соприкасались с рабочей частью оправки в осевом направлении по вершине малой оси эллипсоида 8, а в тангенциальном направлении - на начале калибрующего участка 7. Давильные элементы силовой раскатной головки разводят.

Процесс настройки закончен.

Процесс накатки. Внутрь силовой раскатной головки 1 вставляется трубная заготовка 3 так, чтобы профилированная вращающаяся оправка 5, 6 оказалась внутри трубы. Выступающий из силовой раскатной головки конец трубной заготовки 3 крепится в устройстве подачи 4, через него же организуется подача смазочно-охлаждающей жидкости в зону деформации. Зная число заходов на рабочей части оправки 6, назначают осевую подачу заготовки на один оборот силовой раскатной головки. Дают обжатие трубной заготовки 3 до требуемых значений путем сведения давильных элементов 2. Включают вращение силовой раскатной головки 1 и осевую подачу заготовки 3. Идет процесс накатки винтового профиля. По окончании процесса заготовка выходит из зоны деформации. Силовая раскатная головка останавливается, давильные элементы разводятся, заготовку снимают с устройства подачи. Устанавливают новую заготовку и процесс накатки повторяется в той же последовательности.

Периодически проверяют настройку рабочего инструмента по отношению к давильным элементам и величину обжатия заготовки для получения полного профиля ребра.

Пример конкретного выполнения. Изготавливали трубу из титана марки ВТ-1-0 с внутренним оребрением, с коэффициентом оребрения K не менее 2, наружным диаметром D_н=14-18 мм; длиной L=1500 мм.

Для изготовления вышеуказанного изделия была взята титановая труба марки ВТ-1-0 наружным диаметром D_н=18 мм, толщиной стенки S=1 мм; длиной L=1600 мм. Для обеспечения требуемого коэффициента внутреннего оребрения была просчитана геометрия и изготовлена рабочая часть вращающейся оправки. Принятая геометрия: наружный диаметр по малой оси эллипсоида D_н=16_-0,2 мм; высота полного профиля h_р=0,54 мм; шаг оребрения P = 1 мм; угол профиля ребра = 5, профиль двухзаходный; количество граней три.

Работу проводили на универсальном токарно-винторезном станке мод.16К20, где на планшайбу шпинделя устанавливалась силовая раскатная головка. В качестве силовой раскатной головки использовали стандартный трехкулачковый самоцентрирующийся токарный патрон со спирально-реечным механизмом по ГОСТ 2675-86, где в качестве давильного элемента использовали ролики, находящиеся на оси каждого из трех кулачков патрона. Путем сведения и разведения кулачков регулировали степень обжатия. Число оборотов силовой раскатной головки задавали коробкой скоростей станка, а осевую подачу заготовки, закрепленной в резцедержателе станка, - коробкой подач. Рабочая часть профилированной оправки крепилась на стебле, жестко связанном со шпинделем станка путем резьбового соединения. Для увеличения жесткости стебля приняли его диаметр D = 15_-0,2 мм и длину l=850 мм, а процесс накатки проводили в два этапа, сначала одну половину заготовки, а затем другую с переустановкой. Настройку степени обжатия проводили методом пробных проходов на образцах с замером геометрии ребра в продольном сечении. За критерий принималась полнота профиля ребра спирали. Режимы обработки: число оборотов силовой раскатной головки и профилированной оправки n=200 об/мин; осевая подача заготовки, равная ходу профиля спирали ребра с учетом двухзаходного профиля S=2 мм/об. В полость трубной заготовки со стороны торца, закрепленного в устройстве подачи, подавали смазочно-охлаждающую жидкость-масло индустриальное. В результате получили трубу с внутренним оребрением длиной L=1680 мм; наружным диаметром D_н = 17,4 мм с геометрией внутреннего спирального профиля: высота профиля h_p=0,54 мм; шаг профиля В=1 мм; угол профиля = 5 с коэффициентом оребрения K~2,1.

Предлагаемый способ изготовления изделий с внутренними спиральными ребрами был опробован на материалах: ст.20; н/с; Cu; Al; Ti; Zr - результаты положительные.

Предложенный способ изготовления изделий с внутренними спиральными ребрами позволяет расширить технологические возможности способа, осуществлять процесс при обычных температурах на универсальном технологическом оборудовании, например, токарных станках, и экономически оправдан в производстве теплообменных аппаратов.

Источники информации

1. Патент США N 4794775, кл. 72-77, 1989 г.

2. Авторское свидетельство SU 737086, B 21 H 3/08, 30.08.1980.