Index of /rozprawy2/10141

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział InŜynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali. Rozprawa doktorska. TYTUŁ. ANALIZA HAMBURSKIEGO PROCESU KSZTAŁTOWANIA KOLAN RUROWYCH. Imię i nazwisko autora rozprawy Marek Kuczera. Stopień/tytuł naukowy, imię i nazwisko promotora rozprawy dr hab. inŜ. Wiktor Kubiński prof. AGH. Kraków 2009.

(2) SPIS TREŚCI WYKAZ OZNACZEŃ PRZYJĘTYCH W PRACY………………………………………... 4. 1. WSTĘP………………………………………………………………………………………. 7. 2. CEL I ZAKRES PRACY ORAZ TEZY………………………………………………….. 9. 3. PRZEGLĄD LITERATURY DOTYCZĄCEJ GIĘCIA RUR ORAZ KSZTAŁTOWANIA KOLAN RUROWYCH METODĄ HAMBURSKĄ 3.1. Zmiany zachodzące podczas zginania rury……………………………………………... 10. 3.2. Metody i technologie gięcia rur oraz kształtowania kolan rurowych…………………... 12. 3.3. Porównanie giętych rur i kolan rurowych……………………………………………… 3.4. Hamburski proces kształtowania kolan rurowych………………………………………. 15 16. 3.4.1. Zakres stosowania metody hamburskiej i tolerancje wykonania kolan…………... 16. 3.4.2. Technologia produkcji kolan metodą hamburską…………………………………. 20. 3.4.3. Przebieg odkształcenia podczas kształtowania kolan……………………………... 23. 3.4.4. Parametry technologiczne procesu……………………………………….……….. 28. 3.4.5. Kalibrowanie trzpieni odkształcających…………………………………….…….. 32. 3.4.6. Sposoby nagrzewania rur przed odkształcaniem…………………………….……. 35. 3.4.7. Wady powstające podczas procesu kształtowania………………………….…….. 38. 3.4.8. Podsumowanie przeglądu literatury………………………………………………. 39. 4. WŁASNA ANALIZA PRZEBIEGU PROCESU KSZTAŁTOWANIA RURY NA TRZPIENIU 4.1. Opracowanie teoretycznego idealnego procesu powiększania średnicy i zakrzywiania osi rury…………………………………………………………………………………... 41. 4.1.1. ZałoŜenia przyjęte do analizy teoretycznej……………………………………….. 41. 4.1.2. Wyznaczanie odkształceń wynikających z jednoczesnego powiększenia średnicy rury i zakrzywienia jej osi………………………………………………………… 4.1.3. Opis matematyczny kształtu trzpieni stosowanych w przemyśle………………… 4.1.4. Parametry kinematyczne i geometryczne procesu kształtowania kolan…….…….. 43 49 51. 4.2. Analiza hamburskiego procesu kształtowania kolan……………………………………. 55. 4.2.1. Kalibrowanie stref odkształcających trzpieni stosowanych w przemyśle…….…... 55. 4.2.2. Wyznaczanie modelu matematycznego kształtu strefy odkształcającej trzpienia.. 4.2.3. Obliczanie parametrów kinematycznych i geometrycznych procesu kształtowania……………………………………………………………………… 4.3. Modele teoretyczne rzeczywistego przebiegu procesu kształtowania………………….. 4.3.1. Model pogrubienia ścianki……………………………………………………….. 4.3.2. Model kąta opóźnienia……………………………………………………………. 4.3.3. Model kąta wyprzedzenia…………………………………………………………. 57 62 69 70 74 75. 2.

(3) 5. DOBÓR NAJKORZYSTNIEJSZEGO KSZTAŁTU STREFY ODKSZTAŁCAJĄCEJ TRZPIENIA 5.1. Wyznaczanie zmodyfikowanego kształtu strefy odkształcającej trzpienia……………. 5.2. Kryteria optymalizacji kształtu strefy odkształcającej…………………………………. 78 83. 5.2.1. Optymalizacja kształtu strefy odkształcającej ze względu na jej długość………. 5.2.2. Optymalizacja kształtu strefy odkształcającej ze względu na parametry kinematyczne procesu……………………………………………………………. 5.3. Porównanie strefy odkształcającej trzpieni o kształcie stosowanym w przemyśle oraz zmodyfikowanym……………………………………………………………………….. 81 83 87. 6. MODELOWANIE FIZYCZNE PROCESU KSZTAŁTOWANIA KOLAN 6.1. Cel i załoŜenia do modelowania fizycznego……………………………………………. 89. 6.2. Materiał do badań modelowych procesu kształtowania………………………………... 90. 6.3. Stanowisko badawcze i kształt narzędzi uŜytych do modelowania…………………….. 92. 6.4. Wyniki kształtowania kolan na trzpieniach o róŜnym kształcie………………………... 94. 7. SYMULACJA MES PROCESU KSZTAŁTOWANIA KOLAN 7.1. Program modelowania numerycznego………………………………………………… 7.2. Oprogramowanie i budowa modelu numerycznego……………………………………. 7.3. Modele materiału do symulacji procesu kształtowania………………………………… 7.4. Modelowanie w warunkach stałej temperatury w strefie odkształcającej trzpienia……. 7.4.1. Kształtowanie długiego odcinka rury przy uŜyciu róŜnych trzpieni…………….. 7.4.2. Kształtowanie serii krótkich odcinków rury przy uŜyciu róŜnych trzpieni……… 7.5. Modelowanie w warunkach zróŜnicowanej temperatury w strefie odkształcającej trzpienia………………………………………………………………………..………... 7.5.1. Model nagrzewania pierścieniowy…………………………………...…….……... 100 101 103 105 105 109 112 114. 7.5.2. Model nagrzewania pasmowy……………………………………….…...………. 117 7.5.3. Model nagrzewania mieszany……………………..…………………….………... 118. 8. ANALIZA KOŃCOWA WYNIKÓW OBLICZEŃ I BADAŃ 8.1. Porównanie wyników modelowania matematycznego z wynikami badań…………….. 120 8.2. Porównanie wyników badań i obliczeń teoretycznych dla IPO………………….…….. 122 8.3. Analiza porównawcza wpływu temperatury na wyniki kształtowania………….……… 124 9. WNIOSKI…………………………………………………………………………….……... 126. LITERATURA…………………………………………………………………………..…….. 127. 3.

(4) WYKAZ OZNACZEŃ PRZYJĘTYCH W PRACY. A; B; C; D – współczynniki określające parametry geometryczne strefy odkształcającej trzpienia, A1(1); B1(1); C1(1); D1(1) ... A4(2); B4(2); C4(2); D4(2) – współczynniki wielomianów modeli matematycznych kształtu strefy odkształcającej trzpienia o kalibrowaniu stosowanym w przemyśle, Dw – średnica wewnętrzna rury kolana, Dz – średnica zewnętrzna rury kolana, Dz max, Dz min - największa i najmniejsza średnica zewnętrzna rury kolana, mierzona w jednej płaszczyźnie, E – moduł Younga w temperaturze pokojowej, ET – moduł Younga w danej temperaturze T, L – długość odcinka rury wsadowej do odkształcania (z uwzględnieniem odpadu), Lk – długość łuku przebiegającego w połowie grubości ścianki na zewnętrznym łuku kolana, Lo – długość osi strefy odkształcającej trzpienia, Lsk – długość strefy odkształcającej trzpienia, Lskp – długość strefy odkształcającej trzpienia przy odkształcaniu na trzpieniu stosowanym w przemyśle, Lw – długość odcinka rury wsadowej, Lφ – długość łuku przebiegającego w połowie grubości ścianki w punkcie na obwodzie rury kolana określonym kątem φ, M1; M2; M3 - oznaczenia kolejnych rozkładów temperatur nagrzewania w strefie odkształcającej w modelu nagrzewania mieszanego, PA1; PA2; PA3 - oznaczenia kolejnych rozkładów temperatur nagrzewania w strefie odkształcającej w modelu nagrzewania pasmowego, PI1; PI2; PI3 – oznaczenia kolejnych rozkładów temperatur nagrzewania w strefie odkształcającej dla modelu nagrzewania pierścieniowego, R – promień krzywizny kolana, RA – promień zewnętrznego łuku krzywizny strefy odkształcającej trzpienia, Rα – bieŜący promień krzywizny osi strefy odkształcającej trzpienia, T – temperatura, Vg – objętość kolana o nierównej grubości ścianki, Vi – pojemność i-tego wycinka strefy odkształcającej trzpienia, Vk – objętość materiału kolana o kacie zakrzywienia αk, Vn – objętość nadmiarowa materiału, Vsk – pojemność strefy odkształcającej trzpienia, Vsk(1) – pojemność początku strefy odkształcającej, Vsk(2) – pojemność pozostałej części strefy odkształcającej, Vw – objętość materiału rury wsadowej, b – szerokość kolana (wymiar uwzględniany w normie DIN2605), cf – długość boku komórki siatki koordynacyjnej na powierzchni kolana w kierunku obwodowym, ci – długość boku komórki siatki koordynacyjnej na powierzchni rury wsadowej w kierunku obwodowym, dLsk – długość elementarnego wycinka długości strefy odkształcającej trzpienia, dRα – przyrost bieŜącego promienia krzywizny osi strefy odkształcającej trzpienia, dVsk – objętość elementarnego wycinka odkształcanej rury znajdującej się na strefie odkształcającej,. 4.

(5) dlk – długość wycinka elementarnego włókna na obwodzie rury kolana, dlw – długość wycinka elementarnego włókna na obwodzie rury wsadowej drα – przyrost bieŜącego promienia przekroju strefy odkształcającej trzpienia, dz – średnica zewnętrzna rury wsadowej, dw – średnica wewnętrzna rury wsadowej, dα – kąt elementarnego wycinka odkształcanej rury lub gotowego kolana, dφ – przyrost kąta na obwodzie rury wsadowej lub gotowego kolana, d δ cαϕ - przyrost odkształcenia obwodowego materiału rury,. e – owalizacja przekroju poprzecznego rury kolana, g – grubość ścianki kolana i rury wsadowej, ggφ – grubość ścianki na obwodzie kolana o pogrubionej ściance, i – numer kolejnych modeli strefy odkształcającej, j – numer kolejnych części strefy odkształcającej, lf – długość boku komórki siatki koordynacyjnej na powierzchni kolana w kierunku wzdłuŜnym, li – długość boku komórki siatki koordynacyjnej na powierzchni rury wsadowej w kierunku wzdłuŜnym, lk – długość włókna na obwodzie rury kolana w połowie grubości ścianki, określona kątem φ, lw – długość włókna na obwodzie rury wsadowej w połowie grubości ścianki, określona kątem φw, m – wykładnik funkcji opisującej krzywiznę osi strefy odkształcającej trzpienia o kształcie zmodyfikowanym, n – krotność długości osi strefy odkształcającej trzpienia zmodyfikowanego, r – względny promień gięcia, r0; r45; r90 – współczynniki anizotropii normalnej materiału rury wsadowej, rα – bieŜący promień przekroju strefy odkształcającej trzpienia, ri – promień i - tego przekroju strefy odkształcającej trzpienia, rk – promień wewnętrzny rury kolana lub przekroju strefy kalibrującej trzpienia, rw – promień wewnętrzny rury wsadowej lub przekroju trzpienia na początku strefy odkształcającej s – cienkościenność rury kolana tdα – czas przemieszczania się punktu na Lsk o kąt dα, tα – czas przemieszczania się punktu na Lsk od początku strefy odkształcającej do przekroju określonego kątem α, tk – całkowity czas odkształcania, v – prędkość spychania rury wsadowej, równa prędkości suwaka prasy, x – odległość rozwaŜanego punktu od powierzchni torusa przebiegającego w połowie grubości ścianki kolana, ∆ – wyróŜnik równania kwadratowego określającego współczynnik pogrubienia ścianki, ∆αi – kąt zawarty pomiędzy sąsiednimi przekrojami strefy odkształcającej trzpienia, α – bieŜący kąt zakrzywienia strefy odkształcającej trzpienia, αfin – końcowy kąt pomiędzy sąsiednimi bokami komórki siatki koordynacyjnej, αi – kąt określający połoŜenie i-tego przekroju strefy odkształcającej trzpienia, αini – początkowy kąt pomiędzy sąsiednimi bokami komórki siatki koordynacyjnej, αk – całkowity kąt zakrzywienia strefy odkształcającej trzpienia β – kąt fragmentu kolana będący odpadem βo – kąt opóźnienia, βw – kąt wyprzedzenia, γcl – odkształcenie postaciowe komórki siatki koordynacyjnej, δ- - intensywność odkształcenia, 5.

(6) δc – odkształcenia logarytmiczne obwodowe materiału rury kolana, δ cαϕ - odkształcenie obwodowe materiału rury, •. δ cαϕ - prędkość odkształcenia obwodowego materiału rury, •. δ cαϕm - prędkość odkształcenia obwodowego materiału rury podczas odkształcania przy uŜyciu trzpienia o kalibrowaniu zmodyfikowanym, •. δ cαϕp - prędkość odkształcenia obwodowego materiału rury podczas odkształcania przy uŜyciu trzpienia o kalibrowaniu stosowanym w przemyśle, δcφ – odkształcenia logarytmiczne obwodowe materiału rury kolana w połowie grubości ścianki, δcφk – odkształcenia logarytmiczne obwodowe materiału rury kolana w połowie grubości ścianki obliczone na podstawie zmian długości boków komórek siatki koordynacyjnej, δcφx – odkształcenia logarytmiczne obwodowe materiału rury kolana w odległości x od powierzchni środkowej, δl – odkształcenia logarytmiczne wzdłuŜne materiału rury kolana, •. δ lαϕ - prędkość odkształcenia wzdłuŜnego materiału rury, •. δ lαϕm - prędkość odkształcenia wzdłuŜnego materiału rury podczas odkształcania przy uŜyciu trzpienia o kalibrowaniu zmodyfikowanym, •. δ lαϕp - prędkość odkształcenia wzdłuŜnego materiału rury podczas odkształcania przy uŜyciu trzpienia o kalibrowaniu stosowanym w przemyśle, δlφ – odkształcenia logarytmiczne wzdłuŜne materiału rury kolana w połowie grubości ścianki δlφk – odkształcenia logarytmiczne wzdłuŜne materiału rury kolana w połowie grubości ścianki obliczone na podstawie zmian długości boków komórek siatki koordynacyjnej, δlφx – odkształcenia logarytmiczne wzdłuŜne materiału rury kolana w odległości x od powierzchni środkowej, δr – odkształcenia logarytmiczne promieniowe materiału rury kolana, δrφ – odkształcenie promieniowe na obwodzie rury kolana, εc – odkształcenia względne obwodowe materiału rury kolana, εd – względne powiększenie średniej średnicy rury (mierzonej w połowie grubości ścianki), εdz – względne powiększenie zewnętrznej średnicy rury, εl – odkształcenia względne wzdłuŜne materiału rury kolana, εlw – względne wzdłuŜne skrócenie rury na wewnętrznej stronie kolana (mierzone na wewnętrznej ściance rury), •. ε dα - prędkość zmiany średnicy rury (mierzonej w połowie grubości ścianki) podczas odkształcania, ηk – współczynnik objętości kolana, ηw – współczynnik objętości rury wsadowej, κ – współczynnik pogrubienia ścianki rury kolana, ξ – współczynnik rozkładu materiału odkształcanej rury na trzpieniu odkształcającym, ρ – współczynnik kształtu strefy odkształcającej trzpienia o kalibrowaniu stosowanym w przemyśle (dla promienia przekroju), φ – kąt określający połoŜenie na obwodzie odkształcanej rury lub gotowego kolana, φw – kąt określający długość włókna na obwodzie rury wsadowej, ψ – współczynnik kształtu strefy odkształcającej trzpienia o kalibrowaniu stosowanym w przemyśle (dla kąta zakrzywienia), ω – kąt zakrzywienia kolana (po odcięciu odpadu).. 6.

(7) 1. WSTĘP Jednym z największych problemów w procesach gięcia rur jest zmiana grubości ich ścianki, w szczególności pocienienie na zewnętrznym łuku zagięcia. Problem ten jest na tyle powaŜny, Ŝe metoda gięcia specjalnych rur wsadowych o odpowiednio zróŜnicowanej na obwodzie grubości ścianki, zapewniających stałość grubości w gotowym zagięciu, została opatentowana na początku XX w. Z oczywistych względów nie znalazła ona zastosowania w przemyśle. Dopuszczalne zróŜnicowanie grubości na obwodzie gotowego zagięcia jest określone w odpowiednich normach, jako Ŝe ma ono wpływ na wytrzymałość mechaniczną kolana (zagięcia) oraz jego odporność na korozję. Problem ten jest tylko częściowo rozwiązany dzięki coraz bardziej wyrafinowanym metodom, a co za tym idzie – bardziej złoŜonym urządzeniom i precyzyjnym narzędziom do kształtowania. Generalnie problem pocieniania ścianki ograniczany jest wtedy na drodze zastosowania dodatkowej siły osiowej - spęczającej rurę w trakcie gięcia, zarówno podczas gięcia na zimno jak i na gorąco. Skutkiem takiego działania jest redukcja pocienienia ścianki na zewnętrznym łuku zagięcia, ale oczywiście jednoczesne nasilenie pogrubienia jej ścianki na łuku wewnętrznym. Nadmierne pogrubienie ścianki grozi jej pofałdowaniem a nadmierne zróŜnicowanie utrudnia procesy spawania kolan z pozostałymi elementami rurociągów lub instalacji rurowych. Wad powyŜszych nie wykazuje metoda hamburska. W metodzie tej kształtowanie polega na spychaniu rury wsadowej ze specjalnie ukształtowanego trzpienia, znajdującego się wewnątrz rury. Dzięki zastosowaniu do kształtowania rury wsadowej o średnicy odpowiednio mniejszej, nadmiar materiału z wewnętrznego łuku zagięcia moŜe być równomiernie rozprowadzany na całym obwodzie zagięcia, zapewniając tym samym stałą grubość ścianki na całym obwodzie. Proces ten prowadzony jest na gorąco, co przy odpowiednim ukierunkowaniu nagrzewania dodatkowo stwarza moŜliwość sterowania przepływem materiału rury podczas kształtowania. Przy odpowiedniej konstrukcji trzpienia i odpowiednich parametrach procesu kształtowania zapewnione jest otrzymywanie kolan rurowych o parametrach geometrycznych nieosiągalnych Ŝadną inną metodą kształtowania plastycznego. Metoda hamburska kształtowania kolan rurowych została opatentowana na początku wieku XX w Hamburgu [1]. Początkowo przy jej uŜyciu produkowano niewielkie kolana o bardzo małych względnych promieniach zagięcia (nie objętych dzisiejszymi normami), jak i o większych względnych promieniach gięcia, ale o bardzo duŜych gabarytach – do czasu rozpowszechnienia gięcia rur z lokalnym nagrzewem indukcyjnym w latach 70-tych XX w. Kolana rurowe – jako elementy pracujące w szczególnie trudnych warunkach eksploatacyjnych - są przedmiotem odpowiednich norm. Kolana kształtowane metodą hamburską z powodzeniem wymagania tych norm spełniają. Kształtowanie kolana o innych wymiarach (średnicach i promieniach zagięcia) niŜ przewiduje norma wymaga dobrania odpowiedniej rury wsadowej, która niekoniecznie musi być ujęta w normach oraz kalibrowania i wykonania specjalnego narzędzia, jest oczywiście bardzo kosztowne. Metoda hamburska – chociaŜ powszechnie stosowana obecnie na świecie i w kraju przy seryjnej produkcji kolan rurowych – jest stosunkowo mało znana i opisywana. Celem niniejszej pracy jest wstępna i dlatego uproszczona analiza teoretyczna procesu kształtowania kolan hamburskich, dla jego poznania, uzupełnienia istniejących w literaturze jedynie nielicznych zaleŜności „inŜynierskich” oraz przebadanie moŜliwości optymalizacji tego procesu. Praca została uzupełniona o modelowanie fizyczne i matematyczne oparte na MES, gdyŜ dla zapewnienia odpowiedniego przebiegu procesu technologicznego konieczna jest komputeryzacja zarówno etapu projektowania, jak i kontroli oraz sterowania procesem.. 7.

(8) Zastosowanie technik komputerowych stwarza jednocześnie nowe moŜliwości racjonalnego wykorzystania rezerw tkwiących w kaŜdym procesie technologicznym [2].. 8.

(9) 2. CEL I ZAKRES PRACY ORAZ TEZY Celem niniejszej pracy jest analiza i próba optymalizacji hamburskiego procesu kształtowania kolan rurowych. Dla realizacji celu w pierwszej części pracy przeanalizowano dostępną literaturę dotyczącą metody hamburskiej. Sformułowano załoŜenia oraz określono wielkości odkształceń dla idealnego procesu odkształcania odcinków rur wsadowych na formę kolan rurowych. Analiza ta wykazała, Ŝe w chwili obecnej w literaturze brak jest precyzyjnych zaleŜności opisujących parametry procesu kształtowania. Na podstawie analizy stwierdzić moŜna ponadto, Ŝe na wynik procesu mają wpływ głównie kształt strefy odkształcającej trzpienia i rozkład temperatury w strefie odkształcania. W związku z tym, w dalszej części pracy wyprowadzono własne zaleŜności opisujące kształt strefy odkształcającej trzpienia, parametry geometryczne oraz kinematyczne procesu kształtowania. Wykorzystując wyprowadzone zaleŜności przeanalizowano proces kształtowania przy uŜyciu trzpieni kalibrowanych wg metody stosowanej w przemyśle. Obliczenia wykazały, Ŝe odkształcanie przy uŜyciu trzpieni o kształcie stosowanym w przemyśle nie moŜe przebiegać zgodnie z idealnym procesem odkształcania. Sformułowano więc uproszczone modele rzeczywistego przebiegu procesu odkształcania i wyprowadzono odpowiednie zaleŜności pozwalające określić w sposób ilościowy róŜnice pomiędzy rzeczywistym a idealnym procesem odkształcania. Pozwoliło to na ogólne określenie zaleŜności opisujących zmodyfikowany kształt strefy odkształcającej trzpienia. Ponadto, określono kryteria i dokonano analitycznej optymalizacji zmodyfikowanego kształtu strefy odkształcającej trzpienia, uwzględniając parametry geometryczne i kinematyczne procesu idealnego. W celu weryfikacji obliczeń teoretycznych, przeprowadzono własne badania przy uŜyciu ołowiu, którym modelowano proces odkształcania na gorąco stalowych rur na trzpieniu o kształcie stosowanym w przemyśle oraz o kształcie zmodyfikowanym. Dla podobnych warunków jakie występowały podczas badań przeprowadzono własną analizę przy uŜyciu MES. Aby określić wpływ rozkładu temperatury w strefie odkształcania, wykonano termomechaniczną analizę MES procesu kształtowania kolan przy uŜyciu trzpienia o kalibrowaniu stosowanym w przemyśle, przy róŜnych rozkładach temperatury w strefie odkształcania. W końcowej części pracy porównano wyniki wykonanych analiz i wyciągnięto wnioski dotyczące procesu kształtowania kolan. Na podstawie rozwaŜań teoretycznych dotyczących procesu kształtowania kolan moŜna postawić następujące tezy: 1) Podczas procesu kształtowania kolan metodą hamburską następuje bardzo duŜe zróŜnicowanie płynięcia metalu w przekroju rury, spowodowane równoczesną zmianą średnicy rury i zaginaniem jej osi. Istnieje moŜliwość zaprojektowania takiego kształtu strefy odkształcającej trzpienia, przy którym zróŜnicowanie grubości ścianki rury na obwodzie i długości kolana będzie ograniczone. 2) PoniewaŜ proces kształtowania kolan odbywa się na gorąco, istnieje moŜliwość ukierunkowania nagrzewania w taki sposób, Ŝe zostanie zminimalizowane zróŜnicowanie grubości ścianki rury na jej obwodzie i długości ukształtowanego kolana.. 9.

(10) 3.. PRZEGLĄD LITERATURY DOTYCZĄCEJ GIĘCIA RUR KSZTAŁTOWANIA KOLAN RUROWYCH METODĄ HAMBURSKĄ. ORAZ. 3.1. Zmiany zachodzące podczas zginania rury Gięcie rur jest procesem spręŜysto - plastycznego kształtowania, polegającym na wytworzeniu w rurze jednocześnie napręŜeń wzdłuŜnych rozciągających i ściskających. Moment gnący działający na rurę wywołuje w zewnętrznej części zagięcia (powyŜej warstwy obojętnej) wzdłuŜne napręŜenia rozciągające i obwodowe napręŜenia ściskające, natomiast w wewnętrznej części zagięcia – wzdłuŜne i obwodowe napręŜenia ściskające. W przypadku rur cienkościennych napręŜenia promieniowe są pomijalnie małe. W wyniku tego włókna na łuku zewnętrznym zginanej rury ulegają wydłuŜeniu, zaś na wewnętrznym ulegają skróceniu. Proces ten prowadzi do pocienienia rozciąganej części ścianki i pogrubienia ściskanej części ścianki rury oraz do zniekształcenia jej przekroju poprzecznego (rys. 3.1) [3]. Szczegółowe rozwaŜania oraz zaleŜności napręŜeń i odkształceń w przekroju rury podczas gięcia, uwzględniające teorię plastyczności, zamieszczono w pracy [4].. Dz. g. ω. R. Rys. 3.1. Schemat zmian zachodzących podczas zginania rury [3].. Gięciu rur towarzyszy wiele charakterystycznych dla tego procesu zjawisk, które moŜna podzielić na dwie grupy: 1) Zmiany kształtu przekroju rury a) owalizacja przekroju poprzecznego rury e Owalizacja przekroju poprzecznego rury zwiększa się ze wzrostem moŜliwości swobodnego odkształcania się jej ścianki. Owalizacja ma duŜe znaczenie praktyczne, zwłaszcza gdy rura pracuje pod wysokim ciśnieniem. Powstające podczas gięcia dodatkowe napręŜenia wewnętrzne, będące skutkiem umocnienia odkształceniowego (zgniotu), mogą przyczyniać się do występowania mikropęknięć i korozji na granicach ziarn. b) zmiana grubości ścianki rury Podczas procesu gięcia rur ulega zmianie grubość ścianki w całej strefie gięcia. PoniewaŜ kolana lub zagięcia często muszą spełniać róŜne warunki i kryteria wytrzymałościowo -. 10.

(11) konstrukcyjne, grubość początkową rury naleŜy dobrać tak, aby wymagania te były spełnione [5]. W praktyce okazuje się, Ŝe pocienienie ścianki podczas gięcia rur na zimno, ma rzadko wpływ na wytrzymałość gotowego zagięcia z uwagi na jednoczesne umocnienie odkształceniowe materiału rury. Pocienienie ścianki ma duŜe znaczenie w przypadku, gdy gotowe zagięcie jest poddane obróbce cieplnej np. wyŜarzaniu normalizującemu, lub gdy będzie pracować w środowisku sprzyjającym korozji. Wtedy pocienienie moŜe stać się przyczyną uszkodzenia, szczególnie niebezpiecznego np. w hydraulice siłowej [6]. Zmiana grubości ścianek rury podczas gięcia moŜe osiągać znaczne wartości – pocienienie do ok. 25%, pogrubienie do ok.18% [3]. Wadą, która występuje przy znacznym przyroście grubości ścianki jest falistość rury. Powstaje ona wówczas, gdy napręŜenia ściskające w ściance rury przekroczą wartość krytyczną i powstaje miejscowe wyboczenie [7 - 10]. c) spręŜyste odkształcenie powrotne (spręŜynowanie rury) W czasie odkształcania metalu oprócz odkształcenia plastycznego powstają zawsze pewne odkształcenia spręŜyste. RównieŜ w strefie gięcia rury oprócz trwałych odkształceń plastycznych występują odkształcenia spręŜyste, które po ustaniu działania napręŜeń odkształcających zmniejszają odkształcenie całkowite, dąŜąc do przywrócenia rurze jej pierwotnego kształtu. Zjawisko to nazywa się spręŜynowaniem rury i musi być brane pod uwagę przy konstrukcji oprzyrządowania, tak aby gotowe zagięcie odpowiadało wymaganej dokładności [11]. d) przemieszczenie warstwy obojętnej Warstwa obojętna jest powierzchnią krzywoliniową rozdzielającą warstwy materiału podlegające odkształceniom o róŜnym znaku. Przemieszcza się ona podczas gięcia w kierunku środka krzywizny - zmiana grubości ścianek i zniekształcenie przekroju powoduje ciągłą zmianę momentu bezwładności i połoŜenia środka cięŜkości przekroju giętej rury, przy jednoczesnym umacnianiu odkształceniowym materiału. Na przemieszczenie warstwy obojętnej ma wpływ wielkość napręŜeń wzdłuŜnych podczas gięcia. W przypadku gięcia połączonego z rozciąganiem warstwa obojętna przemieszcza się w kierunku środka krzywizny, zaś w przypadku gięcia ze ściskaniem bardziej oddala od niego [12]. Przemieszczanie się warstwy obojętnej ma wpływ na długość rury wsadowej koniecznej do wykonania wymaganego zagięcia. 2) Zmiany właściwości wytrzymałościowych Gięciu rur na zimno towarzyszy wiele zjawisk, które ograniczają moŜliwość dalszego odkształcania plastycznego. Do czynników tych zalicza się: utratę przez materiał zdolności do odkształceń plastycznych, wzrost granicy plastyczności, spadek udarności itp. Dodatkowa porcja zmagazynowanej (ukrytej) energii dostarczona do rozciąganych warstw zewnętrznych materiału giętej rury, moŜe uruchamiać i wzmacniać pewne wewnętrzne procesy fizykochemiczne, w tym takŜe destrukcyjne procesy pełzania i in. [13]. Aby tym zjawiskom częściowo zapobiec, zaleca się przeprowadzanie procesów gięcia rur na kolana rurociągów w podwyŜszonych temperaturach. Podczas gięcia rur stalowych na gorąco w temperaturze 850 – 12500C, umocnienie odkształceniowe nie występuje. Gięcie na gorąco stosuje się najczęściej w przypadku grubościennych rur stalowych o duŜych średnicach zewnętrznych (Dz > 125mm), głównie ze względu na mniejszą wartość napręŜenia uplastyczniającego gorącego materiału rury, co pozwala obniŜyć siły wymagane do odkształcenia [14]. Wszystkie wyŜej wymienione zjawiska są niekorzystne, a nasilenie ich występowania zaleŜne jest od zastosowanej metody oraz parametrów gięcia, z których najwaŜniejszymi są:. 11.

(12) - cienkościenność rury s , czyli względna grubość ścianki giętej rury (lub kształtowanego kolana), która jest określona jako stosunek grubości ścianki g do średnicy zewnętrznej giętej rury Dz (lub średnicy rury gotowego kolana): g s= (3.1) Dz - względny promień gięcia r, czyli stosunek rzeczywistego promienia krzywizny osi zagięcia (kolana) R do jego średnicy zewnętrznej Dz: R r= (3.2) Dz Im mniejsza jest cienkościenność i względny promień gięcia, tym trudniej jest rurę giąć, czyli utrzymać na akceptowalnym poziomie owalizację i zmianę grubości ścianki rury. Na wielkość spręŜynowania ma dodatkowo wpływ wielu innych czynników, tj. kąt zagięcia, właściwości materiału giętej rury itd.. 3.2. Metody i technologie gięcia rur oraz kształtowania kolan rurowych Metody gięcia rur moŜna podzielić ze względu na temperaturę odkształcenia oraz przebieg procesu. RóŜnią się one przydatnością do realizacji konkretnych procesów, zaś jakość gięcia jest zaleŜna od parametrów geometrycznych procesu, szczególnie promienia względnego gięcia r, cienkościenności rury s oraz zastosowanego oprzyrządowania. Metody gięcia rur na zimno zestawiono w tablicy 3.1. Metody te oraz zjawiska im towarzyszące opisano dokładnie w pracach [15 - 26]. Gotowym wyrobem procesów gięcia na zimno moŜe być: a) gięta rura – stosowana głównie w przemysłach meblarskim i motoryzacyjnym, b) kolano rurowe, czyli sam zagięty fragment rury - mające zastosowanie w budowie rurociągów i instalacji rurowych. Najczęściej stosowane metody gięcia rur na gorąco zestawiono w tablicy 3.2. Metody te oraz zjawiska im towarzyszące opisano dokładnie w pracach [15, 16, 24, 27 - 35]. Gotowym wyrobem procesów gięcia rur na gorąco moŜe być: a) gięta rura – stosowana głównie jako element konstrukcyjny w nowoczesnym budownictwie i w budowie rurociągów, b) kolano rurowe, czyli sam zagięty fragment rury - mające zastosowanie w budowie rurociągów i instalacji rurowych. Jakkolwiek, wiele metod gięcia rur sklasyfikowanych jako metody gięcia na zimno jest prowadzonych równieŜ na gorąco, ale metody sklasyfikowane jako metody gięcia na gorąco moŜna realizować wyłącznie z doprowadzeniem ciepła. Mechanizm kształtowania na gorąco dwoma pierwszymi metodami, przedstawionymi w tablicy 3.2 nie róŜni się od wcześniej opisanego, tzn. gięcie rury wywołuje moment gnący, co powoduje pocienienie ścianki i owalizację. Natomiast mechanizmy kształtowania kolan rurowych metodą hamburską i gięcia laserowego rur są inne. Zapewnia to w przypadku metody hamburskiej utrzymanie stałej grubości ścianki na całym obwodzie kształtowanej rury [36], a w przypadku gięcia laserowego - pogrubianie ścianki na wewnętrznej stronie zagięcia, przy zachowaniu jej pierwotnej grubości na zewnętrznej [37 - 42]. Odpowiednie nagrzewanie. 12.

(13) Tablica 3.1. Najczęściej stosowane metody gięcia rur metalowych na zimno.. METODA MOS. NAGNIATANIE. OBCIĄGANIE. ZWIJANIE. OWIJANIE NA WZORNIKU RUCHOMYM. OWIJANIE NA WZORNIKU NIERUCHOMYM. WYGINANIE. SCHEMAT PROCESU GIĘCIA. MIN. WZGLĘDNY PROM. GIĘCIA. 2-4. MAKS. KĄT GIĘCIA. 120-1800. 4-5 1800 z wypełnieniem. 1,5 - 3. 0. >1. 360. 3-5. 3600. -. 3 - 10. 4-6. 180. 0. 180. 0. 3600. ZASTOSOWANIE. metoda gięcia rur ze stali i metali nieŜelaznych o niewielkich wymiarach, w produkcji kolan z rur cienkościennych. metoda, na której oparte są przyrządy ręczne do prac remontowych i instalacyjnych, dla rur o średnicach do 40mm ze stali, metali nieŜelaznych i ich stopów. metoda, na której oparte są nowoczesne, wydajne giętarki CNC, dla rur o średnicach do 500mm. metoda dla rur grubościennych. metoda stosowana w przemyśle motoryzacyjnym, do gięcia rur i profili z większym promieniem względnym. metoda dla rur o średnicach 200300mm ze stopów i stali trudno obrabialnych plastycznie, stali nierdzewnych i stopów Al. metoda do gięcia elementów o skomplikowanych kształtach, np. przestrzennej spirali o płynnie zmieniającym się promieniu; dla rur ze stali, metali nieŜelaznych i ich stopów. 13.

(14) Tablica 3.2. Najczęściej stosowane metody gięcia rur metalowych na gorąco.. GIĘCIE Z LOKALNYM NAGRZEWEM INDUKCYJNYM. GIĘCIE RUR WYPEŁNIONYCH PIASKIEM. SCHEMAT PROCESU GIĘCIA. MINIMALNY WZGLĘDNY PROM. GIĘCIA. 3. 3,5. MAKSYMALNY KĄT GIĘCIA. 1800. 1800. ZASTOSOWANIE. w pracach remontowych i montaŜowych, stosowana głównie dla rur o duŜych średnicach i grubych ściankach, bardzo pracochłonna. gięcie rur stalowych o duŜych średnicach z uwagi wysoką jakość zagięć i niski koszt oprzyrządowania. Z UśYCIEM RAMIENIA GNĄCEGO SWOBODNEGO. 1,5. 1800. Z UśYCIEM RAMIENIA GNĄCEGO I DODATKOWEGO MOMENTU. 1,1. 1800. gięcie rur stalowych o duŜych średnicach i z małym względnym promieniem gięcia z uwagi na wysoką jakość zagięć i niski koszt oprzyrządowania. gięcie rur stalowych z małym względnym promieniem gięcia z uwagi wysoką jakość zagięć i niski koszt oprzyrządowania, urządzenie do gięcia moŜna łatwo transportować i instalować. METODA HAMBURSKA. GIĘCIE LASEROWE. GIĘCIE PRZEZ SPĘCZANIE. -. 1,1. -. 1800. gięcie w wielu płaszczyznach rur i profili o złoŜonych kształtach, w produkcji prototypowej lub do doginania wstępnie zagiętych elementów. kształtowanie kolan rurowych o nieosiągalnej innymi metodami jakości, wyznaczanej przez kołowość przekroju i zachowanie stałej grubości ścianki na całym obwodzie zagięcia. 14.

(15) stosuje się więc z róŜnych względów, począwszy od konieczności zmniejszania siły odkształcenia i spręŜynowania w metodzie gięcia gorących rur wypełnionych piaskiem; przez zmniejszenie owalizacji przekroju podczas gięcia z lokalnym nagrzewem indukcyjnym i zapobiegania zmianom grubości ścianki w metodzie hamburskiej, aŜ po utworzenie tzw. zawiasu termoplastycznego podczas gięcia laserowego. Oprócz przedstawionych w tabl. 3.1 i 3.2 istnieją równieŜ inne metody kształtowania kolan rurowych. Instalacje rurowe i rurociągi budowane są z giętych odcinków rur lub ich prostych odcinków, łączonych za pośrednictwem kolan rurowych o róŜnych kątach zagięcia. Poszczególne elementy łączone są ze sobą najczęściej za pomocą spawania. Metodą stosowaną w jednostkowej produkcji wielkogabarytowych, cienkościennych kolan rurowych jest zespawanie ich z odpowiednio zwiniętych fragmentów blachy (rys. 3.2a). Odpowiednie zaleŜności do wyznaczania kształtu płaskich fragmentów blachy do zwijania moŜna znaleźć w pracy [43]. Podobną metodą jest spawanie zwiniętych kawałków blachy w formę powłoki toroidalnej o przekroju sześciokąta, a następnie rozpęczanie jej wodą pod ciśnieniem aŜ do momentu uformowania przekroju kołowego (rys. 3.2b). Opis tej metody oraz analizę procesu moŜna znaleźć w pracach [44 - 46]. Produkcja kolan tymi metodami nie wymaga kosztownych maszyn ani oprzyrządowania i zapewnia stałą grubość ścianki na całym obwodzie kolan, kosztem oczywiście wysokiej pracochłonności i niedoskonałości ich kształtu. a). b). Rys. 3.2. Kolana wykonane metodą spawania: a) ze zwiniętych kawałków blachy; b) spawania ze zwiniętych kawałków blachy a następnie rozpęczania hydromechanicznego [46].. 3.3. Porównanie giętych rur i kolan rurowych Instalacje rurowe i rurociągi budowane są z giętych lub prostych odcinków rur, łączonych najczęściej przez spawanie, za pośrednictwem kolan rurowych o róŜnych kątach zagięcia. Aby uzyskać zwartość i sztywność konstrukcji stosuje się minimalne promienie zagięć. Stosowanie w tych konstrukcjach kolan rurowych wymaga wykonania znacznie większej ilości spawów, ale ma jednocześnie wiele zalet w porównaniu ze stosowaniem giętych odcinków rur: 1) Zginanie rur małym względnym promieniem gięcia r jest trudne do wykonania, z uwagi na owalizację przekroju i zmianę grubości ścianki. Produkcja metodą hamburską kolan rurowych o promieniu względnym zagięcia r = Dz jest powszechna i niezawodna. Odpowiednią technologię i narzędzia posiada wielu wytwórców, ustanowione są odpowiednie procedury i uzgodnienia. Stosowanie kolan rurowych znacznie upraszcza konstrukcję instalacji rurowych i rurociągów.. 15.

(16) 2) Podczas wykonywania zagięć rur metodą lokalnego nagrzewania indukcyjnego, aby otrzymać odpowiedni promień zagięcia konieczne jest znaczne zróŜnicowanie temperatury na obwodzie i długości strefy odkształcenia, co powoduje zróŜnicowanie struktury materiału i moŜe powodować pojawianie się mikropęknięć. Wady te mogą nie być wykryte przez powszechnie stosowane metody kontroli. Kształtowanie kolan rurowych metodą hamburską odbywa się natomiast w optymalnym zakresie temperatury, nie występują przy tym Ŝadne jej gradienty. 3) Gięte rury wymagają często obróbki cieplnej po gięciu. Tak więc moŜliwe teoretycznie gięcie długiego odcinka rury w wielu płaszczyznach jest w praktyce ograniczone rozmiarami dostępnego pieca do obróbki cieplnej oraz trudnościami w utrzymaniu odpowiedniej szybkości chłodzenia na całej jej długości. 4) Gięcie rur zawsze wiąŜe się z mniejszą lub większą owalizacją jej przekroju, związaną z występowaniem napręŜeń rozciągających podczas gięcia. Kolana rurowe otrzymane metodą hamburską mają prawie idealnie kołowy przekrój na całej swojej długości. 5) Otrzymanie dokładnie załoŜonego kąta zagięcia rury nie jest rzeczą łatwą, dodatkowo kąt ten moŜe się zmienić po obróbce cieplnej. Kolana rurowe są obrabiane mechanicznie (fazowane) po kształtowaniu i ewentualnej obróbce cieplnej, co pozwala osiągnąć dokładność kąta zagięcia rzędu ułamka stopnia. 6) W przypadku giętych elementów rurociągów o wysokich wymaganiach jakościowych, często konieczne jest przeprowadzenie badań niszczących materiału. Materiał próbki powinien mieć taką samą historię odkształcenia jak gotowy element, więc pobranie takiej próbki z giętej rury nie jest moŜliwe bez jej uszkodzenia. W przypadku kolan rurowych otrzymanych metodą hamburską, próbki takie moŜna pobrać z końców kolan, które są odpadem. 7) Ze względu na rozmiar i kształt, kontrola jakości powierzchni wewnętrznej giętych rur jest utrudniona. Powierzchnia wewnętrzna kolan rurowych moŜe natomiast być łatwo kontrolowana przy uŜyciu róŜnych metod, dzięki łatwemu do niej dostępowi.. 3.4. Hamburski proces kształtowania kolan rurowych 3.4.1. Zakres stosowania metody hamburskiej i tolerancje wykonania kolan Hamburska metoda kształtowania kolan rurowych została opatentowana w roku 1916 przez braci Böhling z Hamburga. Kolana hamburskie produkuje się seryjnie i ze względów ekonomicznych ich wymiary są znormalizowane. Np. średnice zewnętrzne rur i grubości ścianek kolan wg DIN 2605 odpowiadają wymiarom rur bez szwu wg DIN 2448 [48, 49]. Metody produkcji rur bez szwu opisano dokładnie w pracy [50]. Norma DIN 2605 dotyczy standardowych kolan rurowych, przeznaczonych do łączenia z innymi elementami metodą spawania. Obejmuje ona kolana o średnicach zewnętrznych rury od 21,3 do 711 mm i grubościach ścianek od 2 do 16 mm o kątach zakrzywienia kolan wynoszących 450, 900 i 1800. Przeznaczone są one do zabudowy w rurociągach pary, wody i gazu oraz innych czynników obojętnych przy ciśnieniach nominalnych 0,25 – 15 MPa, w zakresie temperatur roboczych (w zaleŜności od gatunku materiału kolana) do 550°C. Kolana rurowe podzielone są na trzy typy (typ 2, 3 i 5) w zaleŜności od względnego promienia krzywizny kolana (rys. 3.3a). Typ kolana w przybliŜeniu odpowiada stosunkowi podwojonej wielkości jego promienia krzywizny R do średnicy wewnętrznej rury kolana Dw (rys. 3.3b).. 16.

(17) a). typ 2. typ 3. b). typ 5. c) 600. Dz , mm. 500. R Dw Dz. g. 400 300 200 100 0 2. 3. 4. 5. Typ kolana. Dw. - metoda hamburska - gięcie z lokalnym nagrzewem indukcyjnym ▲ – gięcie na zimno.. Rys. 3.3. a) Typy kolan rurowych wg normy DIN 2605, b) sposób określania typu kolan rurowych - kolano rurowe typu 3, c) kolana produkowane w kraju róŜnymi metodami.. Analizując program produkcji krajowego wytwórcy kolan rurowych moŜna stwierdzić, Ŝe metodą hamburską produkowane są jedynie kolana typu 3 (rys. 3.3c). Kolana o większych względnych promieniach zakrzywienia produkowane są innymi metodami. Kolana rurowe wytwarzane metodą hamburską noszą w kraju handlową nazwę łuki hamburskie lub łuki gładkie krótkie. Do połowy XX w. - kiedy nie stosowano jeszcze powszechnie metody gięcia rur z lokalnym nagrzewem indukcyjnym - metoda hamburska była jedyną znaną metodą kształtowania wysokiej jakości kolan rurowych. Przy jej uŜyciu produkowano wtedy kolana typu 2, 3, 4 i 5 [36]. Jak widać na rys. 3.3c, metoda hamburska pozwala na kształtowanie kolan rurowych w bardzo szerokim zakresie wymiarowym średnic rur. W technologii gięcia rur często stosowanymi parametrami określającymi ich kształt są cienkościenność zagięcia s oraz jego promień względny r. Na rys. 3.4 przedstawiono wielkości cienkościenności rur w zaleŜności od względnego promienia gięcia, produkowanych przy uŜyciu metody hamburskiej i metody gięcia z lokalnym nagrzewem indukcyjnym. Jak widać, kolana o względnym promieniu zagięcia mniejszym niŜ 1,5 oraz cienkościennościach większych niŜ 0,06 produkowane są jedynie przy uŜyciu metody hamburskiej.. 17.

(18) Cienkościenność rury. 0,12. ● – metoda hamburska ▲ – gięcie z lokalnym nagrzewem indukcyjnym. 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 1. 1,5. 2. 2,5. względny promień gięcia. Rys. 3.4. Porównanie parametrów geometrycznych kolan rurowych produkowanych w kraju róŜnymi metodami.. Na rys. 3.5 zestawiono dodatkowo wielkości cienkościenności s i względnego promienia gięcia r kolan hamburskich w zaleŜności od ich średnicy zewnętrznej rury Dz.. Jak widać, metoda hamburska umoŜliwia wytwarzanie kolan o małych cienkościennościach (rys. 3.5a) oraz małych względnych promieniach zagięcia (rys. 3.5b) w szerokim zakresie średnic zewnętrznych rury kolana. 1,6. Względny promień gięcia. Cienkościenność rury. 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04. 1,5 1,4 1,3 1,2. 0,02. 1,1. 0. 1 0. 100. 200. 300. 400. 0. 500. Dz , mm. 100. 200. 300. 400. 500. Dz , mm. Rys. 3.5. Geometryczne parametry kolan rurowych typu 3 produkowanych w kraju metodą hamburską.. Metodą tą moŜna takŜe kształtować kolana grubościenne (s > 0,14) lub - przy uŜyciu specjalnie ukształtowanego trzpienia - ciasną spiralę, jak pokazano na rys. 3.6b. a). b). Rys. 3.6. Kolana (a) oraz ciasna spirala (b) ukształtowane metodą hamburską [36].. 18.

(19) Warunki dostawy stalowych łączników, przeznaczonych do łączenia z pozostałymi elementami rurociągów i instalacji rurowych metodą spawania bardzo szczegółowo określa norma DIN 2609 [49]. WaŜniejszą grupę elementów rurociągów objętych powyŜszą normą stanowią kolana rurowe wg normy DIN 2605. W tablicy 3.3 przedstawiono wyjątki z normy DIN 2609, dotyczące tolerancji kształtu kolan rurowych przedstawionych na rys. 3.7a. Tablica 3.3. Tolerancje wymiarowe wg normy DIN 2609, dotyczące kolan rurowych typu 2; 3 i 5. Średnica zewnętrzna rury kolana Dz , mm. Tolerancja średnicy zewnętrznej Dz standardowe dopuszczalne wymagania. 21,3-76,1 ± 0,4 mm 88,9-114,3 139,7-219,1. ± 0,5 %. Dopuszczalna owalizacja e na końcach kolana. na długości kolana. Tolerancja grubości ścianki g. Szerokość 2·b , mm ±8. w granicach tolerancji średnicy. ±9 ±10. -12,5 % +15 %. 273. ±14. 323,9-457 508-610. ±14 ±1% min ±0,5 mm. 4 % max. 711. ±0,6 %. 2 % max. ±16 g ≤ 10 mm -0,35 mm +15 %. 813 g ≤ 10 mm -0,5 mm +15 %. ≤ 914. a) Dz min. g. Dz. Dz max. 2·b Rys. 3.7. Oznaczenia przyjęte przy określaniu tolerancji wymiarowych kolan rurowych (a) oraz do obliczania owalizacji przekroju rury (b) wg DIN 2609.. Dla kolan typu 2, 3 i 5 o kącie zagięcia 1800 wybrano tylko te parametry geometryczne, dla których spełnienia ma wpływ metoda i przebieg procesu ich odkształcania plastycznego. Wielkość owalizacji przekroju poprzecznego kolana e wg normy DIN 2609 naleŜy obliczać z zaleŜności:. 19.

(20) e = 200 ⋅. D z max − D z min ,% D z max + D z min. (3.3). W tablicy 3.3 zestawiono odpowiednie wielkości dopuszczalnej owalizacji przekroju poprzecznego na końcach i na długości kolan.. 3.4.2 Technologia produkcji kolan metodą hamburską Proces technologiczny produkcji kolan hamburskich składa się z następujących operacji [33]: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8). kontrola wymiarów i jakości rur wsadowych; kontrola oznakowania rur; cięcie rur na odcinki zapewniające odpowiedni kąt zagięcia gotowych kolan ; odkształcanie rur na gorąco; chłodzenie i kontrola jakości kolan; czyszczenie powierzchni przez nadmuch piaskiem; cięcie i fazowanie końców oraz badania nieniszczące; zabezpieczanie kolan przed korozją.. Proces ten moŜe róŜnić się w zakładach produkcyjnych, w zaleŜności od ich wyposaŜenia i od stopnia opanowania technologii (rys. 3.8). a). b). c). d). e). f). g). Rys. 3.8. Schemat procesu technologicznego wytwarzania kolan hamburskich. a) rura wsadowa; b) pocięte odcinki rur; c) kształtowanie na gorąco; d) kalibrowanie kolan; e) obróbka cieplna; f) fazowanie kolan; g) gotowe kolano.. Producenci kolan stosują dodatkową operację kalibrowania kolan w prasie. Operacja ta spowodowana jest nieprawidłowościami procesu kształtowania - szczególnie złym kalibrowaniem trzpienia. Obróbka cieplna po kształtowaniu pozwala uzyskać bardziej jednorodną strukturę w całej objętości kolana. Początkowo jako wsad uŜywano moŜliwie najdłuŜszego odcinka rury wsadowej a następnie odcinano palnikiem odpowiednie odcinki zagięć „na wybiegu prasy”, ale obecnie odkształca się odcinki rur wsadowych o takiej długości, aby zapewnić otrzymanie kolan o kącie 190 – 2100 (rys. 3.9a). Końce ukształtowanych kolan są nierówne i zniekształcone, dlatego wymagają one wyrównania przez obróbkę skrawaniem (rys. 3.9b) i dodatkowo ukosowania (fazowania) krawędzi przeznaczonych do spawania. Kolana hamburskie o mniejszych kątach zakrzywienia otrzymuje się przez pocięcie na części zagięć o kącie 1800 (rys. 3.9c).. 20.

(21) a). b). c). Rys. 3.9. Ukształtowane kolana na samotoku (a) oraz przycinanie kolan na odpowiedni wymiar kątowy mechanicznie (b) i palnikiem (c).. NajwaŜniejszą częścią procesu wytwarzania kolan metodą hamburską jest odkształcanie na gorąco odcinków rur. Rury wsadowe do produkcji kolan dostarczane są w handlowych długościach 4 – 8 m. Schemat procesu odkształcania przedstawia rys. 3.10. 5. 7 5. 3 1. 6 2. 4. Rys. 3.10. Schemat procesu hamburskiego kształtowania kolan rurowych [27]. 1 - rura wsadowa; 2 – drąg; 3 - tuleja popychająca; 4 - gniazdo prasy; 5 - trzpień kształtujący; 6 - suwak prasy; 7 – palniki gazowe.. Pocięte na odpowiednie długości odcinki rury (1) nakłada się na drąg prasy (2). Koniec drąga z odcinkami rur przekłada się przez tuleję popychającą (3) i mocuje na sztywno do gniazda prasy (4). Do drugiego końca drąga mocowany jest trzpień odkształcający (5). W tym czasie suwak prasy (6) znajduje się w pozycji początkowej. Po włączeniu nagrzewnicy gazowej lub elektrycznej (7) uruchamia się suwak prasy z tuleją popychającą. Po dosunięciu tulei do ostatniego z odcinków rur wsadowych znajdujących się na trzpieniu następuje przepychanie pierwszego odcinka przez strefę nagrzewania i jednocześnie stopniowe wtłaczanie go na odcinek odkształcający trzpienia. Nagrzewany odcinek rury poddawany jest stopniowemu zaginaniu z równoczesnym powiększaniem średnicy. Po przejściu odcinka rury przez odkształcający i kalibrujący odcinek trzpienia uzyskuje się kolano o załoŜonej średnicy i promieniu krzywizny. Ukształtowane kolano spada na samotok (rys. 3.9a). W tym czasie na odcinku odkształcającym znajduje się następny - częściowo juŜ odkształcony - odcinek rury, który popychany jest kolejnym, jeszcze prostym odcinkiem rury. Proces prowadzi się w sposób ciągły aŜ do momentu wtłoczenia na odcinek kształtujący trzpienia ostatniego odcinka 21.

(22) rury. Wtedy suwak prasy zostaje wycofany a trzpień odczepiony od drąga. Nowa partia rur wsadowych zostaje nałoŜona na drąg i proces moŜe być kontynuowany [33]. Specyfika procesu kształtowania kolan metodą hamburską wymaga zastosowania specjalnej prasy o odpowiednio duŜej wielkości skoku posuwisto – zwrotnego ruchu suwaka. W celu zwiększenia wydajności produkcji, konstrukcja prasy moŜe przewidywać jednoczesne stosowanie więcej niŜ jednego trzpienia. Starsze linie technologiczne wyposaŜone są w prasy mechaniczne. Ruch obrotowy napędowego silnika elektrycznego jest wtedy zamieniany na posuwisty ruch suwaka prasy za pomocą przekładni łańcuchowej. Schemat takiej prasy przedstawia rys. 3.11. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Rys. 3.11. Schemat mechanicznej prasy do procesu kształtowania kolan metodą hamburską [33]. 1 – gniazdo mocowania trzpienia; 2 – drąg; 3 – suwak prasy; 4 – odcinki rur do kształtowania; 5 – łańcuch napędowy; 6 – silnik; 7 - przekładnia pasowa; 8 – nagrzewnica; 9 – trzpień kształtujący; 10 – samotok.. Nowsze instalacje wyposaŜone są zwykle w urządzenia hydrauliczne (rys. 3.12). W prasie hydraulicznej ruch obrotowy napędowego silnika elektrycznego jest zamieniany na posuwisty ruch suwaka prasy za pomocą układu hydraulicznego. Prasa składa się z tłoka (1) zamocowanego wewnątrz ruchomego cylindra (2). Do tłoka zamocowana jest Ŝerdź trzpienia (3). Ruchomy cylinder ślizga się swym przednim uszczelnieniem po Ŝerdzi a wewnętrznym uszczelnieniem po płaszczu nieruchomego cylindra [36]. Typowa hydrauliczna prasa pozioma do kształtowania kolan hamburskich składa się z korpusu, układu hydraulicznego i układu sterowania. Korpus prasy jest najczęściej konstrukcją spawaną. WaŜniejsze parametry techniczne takiej prasy przedstawiono w tablicy 3.4. Tablica 3.4. Parametry technologiczne przykładowej prasy RP 30-360 do procesu kształtowania kolan hamburskich. Napęd. hydrauliczny. Sterowanie. półautomatyczne. Ciśnienie oleju ,. MPa. 17,5. Max. siła spychania ,. kN. 300. Max. prędkość suwaka ,. mm/s 170 , kN 300 , kN. 75. 30. Min. prędkość suwaka ,. Średnica drąga ,. mm/s. mm. 6,7. 15–110. 22.

(23) a). b) 2 3. 1. 4 woda chłodząca. Rys. 3.12. Widok prasy hydraulicznej (a) i schemat hydraulicznego układu do kształtowania kolan grubościennych trzpieniem chłodzonym od wewnątrz wodą (b) [36]. 1 – tłok; 2 – ruchomy cylinder; 3 – Ŝerdź; 4 – kanały chłodzące.. 3.4.3. Przebieg odkształcenia podczas kształtowania kolan Jak widać na rys. 3.10, trzpień o przekroju okrągłym na całej długości, od początkowego odcinka prostego prowadzącego rurę zmienia się w zakrzywiony. Przekrój trzpienia intensywnie zwiększa się na jego długości, dzięki czemu rura podczas przesuwania po trzpieniu zgina się i powiększa swoją średnicę, zwłaszcza na wewnętrznym łuku zginania. To powiększanie średnicy rury jest jednym z najistotniejszych etapów całego procesu kształtowania kolana. Po przebyciu kąta ok. 550 przekrój trzpienia jest stały i krzywizna łuku wewnętrznego jest równoległa do zewnętrznego. Odcinek powiększania średnicy zakończony jest odcinkiem o stałym przekroju poprzecznym, słuŜącym do kalibrowania i prowadzenia gotowego kolana. Rozkład napręŜeń powoduje, Ŝe materiał rury z łuku wewnętrznego wzdłuŜ odcinka powiększania średnicy trzpienia przepływa na powierzchnię łuku zewnętrznego. Nacisk prasy powoduje powstawanie osiowych napręŜeń na wewnętrznym łuku zagiętego trzpienia. Są one maksymalne na początku strefy odkształcenia i dąŜą do wartości 0 na końcu tej strefy, poniewaŜ od tego przekroju obszaru odkształcania nie następują juŜ Ŝadne dalsze odkształcenia. Przez nacisk na trzpień materiał na wewnętrznym łuku ulega hamowaniu i spęczeniu, podczas gdy równocześnie z powodu mniejszych nacisków i ograniczonemu spęczaniu na łuku zewnętrznym moŜe płynąć szybciej. Z powodu zwiększania średnicy trzpienia powstają napręŜenia rozciągające w kierunku obwodowym, które przeciągają na. 23.

(24) zewnętrzną stronę hamowany materiał i powodują jego docisk do trzpienia. Bez powiększenia średnicy materiał nie mógłby przepływać na zewnętrzną stronę trzpienia. Przy małych względnych promieniach gięcia na wewnętrznej stronie zginania występuje duŜe spęczanie, które musi być kompensowane przez duŜe powiększenie średnicy. Przy duŜych względnych promieniach gięcia - przy małym spęczaniu - wymagane jest mniejsze powiększenie średnicy rury. Przez prawidłowe powiększanie średnicy i odpowiednie dopasowanie rozkładu temperatury na trzpieniu moŜna sterować płynięciem materiału, tak Ŝe grubość ścianki rury podczas kształtowania pozostaje bez zmiany. MoŜna więc stwierdzić, Ŝe w elemencie materiału, który jest jednocześnie pocieniany w kierunku napręŜeń rozciągających i pogrubia się w kierunku napręŜeń ściskających, grubość ścianki nie zmienia się. Tylko dzięki tej zasadzie moŜna z prostej rury otrzymać odcinek rury zakrzywionej o stałej grubości ścianki (rys. 3.13). a). b). Rys. 3.13. Rura wsadowa i ukształtowane z niej kolano (a) oraz element rury przed i po odkształceniu (b) [36].. Proces kształtowania kolan metodą hamburską charakteryzuje się brakiem narzędzia na zewnątrz rury, co powoduje występowanie powierzchni swobodnej w trakcie odkształcenia. Problem analitycznego wyznaczenia napręŜenia spychania kolana wydaje się być dość złoŜony, przede wszystkim z uwagi na występowanie tej powierzchni swobodnej. NapręŜenie promieniowe zmienia się na grubości ścianki, przyjmując maksymalną wartość na powierzchni styku rury z trzpieniem oraz wartość zerową na powierzchni zewnętrznej rury. MoŜna przyjąć – podobnie jak w procesie ciągnienia rur na pusto - Ŝe zmiana ta jest liniowa, w związku z czym średnia wartość napręŜenia, występująca w środku grubości ścianki, jest równa połowie nacisku jednostkowego występującego na powierzchni styku metalu z trzpieniem. Wartości i znak odkształceń zaleŜą od stosunku napręŜeń obwodowych do wzdłuŜnych. Pod wpływem napręŜeń ściskających, przy załoŜeniu, Ŝe wpływ napręŜeń promieniowych jako mniejszych od obwodowych pomija się, metal popłynie w kierunku zewnętrznym zagięcia rury, powodując wzrost grubości jej ścianki. Równocześnie, działanie rozciągających napręŜeń obwodowych dąŜy do zmniejszenia grubości ścianki. W zaleŜności od tego, czy przewaŜy efekt działania napręŜeń obwodowych, czy teŜ napręŜeń wzdłuŜnych, otrzymuje się końcową grubość ścianki większą lub mniejszą od początkowej. Przy wzajemnym równowaŜeniu się oddziaływania napręŜeń grubość ścianki rury nie ulegnie zmianie [51]. Metoda wyznaczania odkształceń na podstawie wielkości odkształceń zdeformowanej siatki naniesionej na powierzchnię próbki jest jedną z metod opartych na analizie wzorów powierzchniowych, określonej mianem wizjoplastyczności [52]. Do określania wartości odkształcenia stosowane są zwykle siatki złoŜone z okręgów, co ułatwia wyznaczanie głównych kierunków odkształcenia, gdyŜ okręgi zmieniają się w elipsy. Czasami są stosowane siatki prostokątne (kwadratowe), które mają dwie zasadnicze zalety: praktyczną stosowanie siatki o bardzo małej podziałce wymaga linii prostych, teoretyczną – w niektórych. 24.

(25) przypadkach odkształcenia nie wywołują zniekształcenia okręgów pomiarowych przy obrocie osi odkształcenia [53]. Zdjęcie odcinka rury oraz gotowego kolana z naniesioną na ich powierzchni siatką kwadratową przedstawia rys. 3.13a. Jak widać na tym rysunku, w kierunku do łuku wewnętrznego kolana kwadraty coraz bardziej zmieniają się w trapezy. JednakŜe powierzchnia wszystkich zaznaczonych pól przed i po odkształceniu jest w przybliŜeniu jednakowa. Świadczy to o zachowaniu pierwotnej grubości ścianki rury w kaŜdym punkcie kolana. Obserwacja zniekształceń kwadratowej siatki naniesionej na zewnętrzną powierzchnię rury wsadowej jest metodą stosowaną w pracach dotyczących kształtowania kolan metodą hamburską [54 - 58] – rys. 3.14a. a). b). εl= - 54% εc=48,6% εl=εc=32,3% εl=εc=0 Rys.3.14. Zniekształcenie siatki prostokątnej naniesionej na powierzchnię kolana [57] (a) oraz obliczone na tej podstawie wielkości odkształceń względnych [55] (b).. Na powierzchnię rury wsadowej nanoszona jest siatka koordynacyjna w postaci rys obwodowych i wzdłuŜnych. Pomiary długości boków zaznaczonych komórek przed i po kierunek spychania. Rys. 3.15 Obraz zdeformowanej siatki koordynacyjnej (linia ciągła) na tle siatki naniesionej na powierzchnię rury wsadowej (linia przerywana). Kolano o Dz = 306 mm, stal węglowa [54].. 25.

(26) odkształceniu przeprowadza się w linii prostej, ignorując istnienie niewielkiej krzywizny powierzchni rury. Na długości boku tej komórki przy odpowiednio dobranych wymiarach siatki powstaje błąd rzędu jedynie 1%. Np. na rys. 3.15 przedstawiono „rozprostowane” obrazy siatki koordynacyjnej naniesionej na rurę wsadową oraz siatki zdeformowanej po wykonaniu kolana. Jak widać, zniekształcenia nie są dokładnie symetryczne względem płaszczyzny symetrii kolana. Przyjmuje się uproszczenie, Ŝe wielkości odkształcenia określone na powierzchni rury są równe w całej grubości jej ścianki. Przy takim załoŜeniu pierwotnie prostokątne komórki siatki rury wsadowej przechodzą w czworokąty w siatce zniekształconej (rys. 3.16). rura wsadowa. gotowe kolano. αini ci. cf. li. αfin. lf. Rys. 3.16. Oznaczenia przyjęte do określania wielkości odkształceń [56].. Elementarne komórki ulegają odkształceniom normalnym, powodującym zmianę długości boków oraz postaciowym, powodującym zmianę kątów pomiędzy bokami. Odkształcenie wzdłuŜne komórek zdefiniowane jest jako:. δ l = ln. lf li. (3.4). Natomiast odkształcenie obwodowe jako:. δ c = ln. cf ci. (3.5). W ogólnym przypadku prostokąty przekształcają się w czworokąty o róŜnej długości przeciwległych boków. W kaŜdej komórce moŜna określić więc dwie róŜne wielkości odkształcenia wzdłuŜnego i obwodowego, tak więc wielkości te powinny być uśrednione.. 26.

(27) Odkształcenie promieniowe - związane ze zmianą grubości ścianki rury - obliczane jest z zasady zachowania stałej objętości:. δ r = −(δ l + δ c ) (3.6) Aby określić wielkość odkształcenia postaciowego γcl, konieczna jest znajomość zmiany kąta pomiędzy sąsiednimi bokami komórki siatki. Kąt ten w nieodkształconej komórce wynosi αini , w odkształconej natomiast αfin. Wielkość odkształcenia postaciowego wyraŜa się zaleŜnością:. γ cl = α fin − α ini. (3.7). Wielkość kąta αini jest wielkością stałą, charakterystyczną dla nieodkształconej siatki. Wielkość kąta αfin w odkształconej komórce moŜna zmierzyć lub obliczyć. Intensywność odkształcenia wyraŜa się zaleŜnością - podaną w [56] – słuszną przy załoŜeniu, Ŝe odkształcenia postaciowe występują jedynie w płaszczyźnie ścianki kolana: −. δ=. 2 3 2 ⋅ (δ l − δ c ) 2 + (δ c − δ r ) 2 + (δ r − δ l ) 2 + ⋅ γ cl 3 2. (3.8). Na rys. 3.17 przedstawiono określony tą metodą rozkład odkształcenia na obwodzie kolana. ZróŜnicowanie grubości ścianki na całej długości i obwodzie gotowego kolana w kierunek spychania. a). b). δl. δc. c) δr d). e). γcl. δ-. Rys. 3.17. Obliczone metodą wizjoplastyczności wielkości odkształceń na powierzchni kolana [54].. 27.

(28) obrazowy sposób przedstawiono na rys. 3.17c. Odkształcenie promieniowe jest rzędu 0,1 co odpowiada zmianie grubości ścianki rzędu 10%. Największe zmiany obserwuje się na początku kolana. Znając wartości przedstawione na rys 3.17 moŜna określić stan odkształcenia na długości rury podczas procesu kształtowania, co przedstawiono schematycznie na rys. 3.18.. εc= εl= εr =0. εr =0 εc= εl= εr =0. εl. εc. εc= εl= εr =0. Rys. 3.18. Schemat stanu odkształcenia w obszarze odkształcenia metalu w róŜnych miejscach na długości i obwodzie trzpienia podczas kształtowania [wynik analizy Autora].. Siatka kwadratowa ma dodatkową zaletę, przez zastosowanie podobnej siatki elementów skończonych w analizie MES jest moŜliwe bezpośrednie – wizualne - porównanie wyników obu analiz.. 3.4.4. Parametry technologiczne procesu Dla otrzymania dobrej jakości kolan zasadnicze znaczenie mają: 1) parametry geometryczne procesu: a) dokładność wymiarowa średnicy i długości odcinków rur wsadowych; b) kształt i wymiary trzpienia, 2) parametry kinematyczne i cieplne procesu kształtowania: a) osiowa prędkość spychania kolana; b) rozkład temperatury na długości i obwodzie strefy odkształcającej trzpienia. 3) jakość powierzchni rur wsadowych. Osiowa prędkość spychania kolan (prędkość suwaka prasy) v jest stała w trakcie całego procesu kształtowania. Musi ona być skorelowana odpowiednio z pozostałymi parametrami procesu kształtowania tj. właściwościami materiału odkształcanej rury oraz temperaturą i jej rozkładem w strefie odkształcającej. Jako optymalną prędkość spychania naleŜy przyjąć taką,. 28.

(29) która zapewnienia stały osiowy nacisk na rurę wsadową, wynoszący przy odpowiednim nagrzewaniu dla typowych stali węglowych ok. 50 MPa [36]. Innym wyznacznikiem determinującym prędkość spychania jest czas, wystarczający - w przypadku nagrzewania indukcyjnego – do uwolnienia napręŜeń termicznych, wynikających z gradientów temperatury na długości i obwodzie rury podczas kształtowania [59]. Jest to szczególnie waŜne podczas kształtowania kolan ze stali wysokostopowych, o mniejszej przewodności cieplnej. Szczegółowe dane dotyczące parametrów procesu kształtowania stanowią z oczywistych względów tajemnicę wytwórcy. W tablicy 3.5 zestawiono więc orientacyjne wielkości parametrów, stosowanych podczas kształtowania kolan o róŜnych gabarytach oraz z róŜnych materiałów. Tablica 3.5. Parametry technologiczne stosowane w procesie kształtowania kolan metodą hamburską [36, 59, 60]. Materiał kształtowanego kolana. Promień względny kolana. r stale nisko- i 1,31-1,36 średniowęglowe stal wysokostopowa. 1,5. CienkoŚrednica ścienność rury zewnętrzna kolana kolana. s. Promień kolana. R , mm. Dz , mm. stale nisko- i 0,84 – 1,44 0,08 – 0,019 średniowęglowe. Prędkość spychania ν , mm/s. Nacisk spychania. MPa. g , mm. 0,094-0,028 21,3 - 159 0,078. Grubość ścianki kolana. Temperatura w strefie odkształcającej , 0C na początku strefy. na końcu strefy. 28 - 216. 2 - 4,5. 11,7 - 20. -. ~1000. 406. 610. 32. 0,33 – 0,5. -. 850. 1000. 25 - 832. 21 - 1200. 2 - 16. -. 50. 550 - 600. 800 - 850. Dobór średnicy rury wsadowej Średnicę rury wsadowej do procesu kształtowania kolan metodą hamburską moŜna obliczyć przyjmując następujące załoŜenia: -. grubość ścianki rury nie ulega zmianie w wyniku odkształcania; włókno materiału przebiegające na zewnętrznym łuku gotowego kolana w płaszczyźnie jego symetrii ma taką samą długość jak rura wsadowa - włókno obojętne; podczas odkształcania materiału obowiązuje zasada stałej objętości.. W opracowaniach na temat kształtowania kolan metodą hamburską moŜna znaleźć róŜne zaleŜności, pozwalające obliczyć średnicę rury wsadowej (rys. 3.19).. d w dz g L. R. Dw. Dz. g Rys. 3.19. Oznaczenia przyjęte w zaleŜnościach na obliczanie wymiarów rury wsadowej do kształtowania kolan metodą hamburską.. 29.

(30) Dają one zbliŜone wyniki. Np. w pracy [60] proponuje się obliczać średnicę rury wsadowej za pomocą następującej zaleŜności: dz =. R ⋅ Dz D R+ z −g 2. (3.9). W pracy [36] proponuje się przyjmować średnice rur wsadowych tak, aby w wyniku kształtowania powiększenie średniej średnicy rury mierzone w połowie grubości ścianki wynosiło odpowiednio dla kolan róŜnych typów: typ 2 typ 3 typ 4 typ 5. εd = 50 % εd = 33 % εd = 25 % εd = 20 %. W pracy [59] proponuje się zaleŜność opartą na załoŜeniu, Ŝe objętość odcinka rury wsadowej o długości włókna obojętnego gotowego kolana jest równa objętości otrzymanego z niej kolana, przy załoŜeniu, Ŝe włókno obojętne przebiega w płaszczyźnie symetrii kolana, na zewnętrznym łuku w połowie grubości ścianki rury. ZaleŜność ta ma więc postać: dz =. Dz − g +g Dz − g 1+ 2⋅ R. (3.10). Znając juŜ teoretyczną średnicę rury wsadowej, obliczoną z jednej z podanych zaleŜności, dobiera się odpowiednią rurę o wymiarze znormalizowanym. W przypadku gdy w normach brak jest rury ściśle odpowiadającej obliczonej średnicy, zaleca się przyjąć rurę o średnicy nieco mniejszej [36]. Zastosowanie rury o średnicy większej moŜe doprowadzić do ukształtowania kolana o niedokładnie kołowym przekroju. Długość odcinka rury wsadowej Procesowi kształtowania poddaje się najczęściej odcinki rur takie, aby z uwzględnieniem odpadu uzyskać odpowiedni kąt gotowego kolana. Najczęściej kształtuje się odcinki rur pozwalające uzyskać kolana o kącie 1800. Dz Dw. a). b). ω. ukształtowane kolano. R. β. β odpad. Rys. 3.20. Widok zdeformowanego końca zagięcia otrzymanego na drodze kształtowania metodą hamburską (a) [56] oraz oznaczenia przyjęte w zaleŜnościach na obliczanie długości odcinka rury do odkształcania (b).. 30.

(31) Długość prostego odcinka rury do kształtowania kolana powinna odpowiadać długości jego włókna obojętnego. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe łuki otrzymane w wyniku procesu kształtowania na gorąco metodą hamburską mają zniekształcone i nierówne końce (rys. 3.20). W praktyce naleŜy więc przewidzieć nieco większą długość odcinka rury tak, aby po odcięciu obu tych końców o kącie zakrzywienia β kaŜdy, otrzymać jeszcze kolano o odpowiednim kącie ω. Długość odcinka rury wsadowej wg [60] oblicza się więc z zaleŜności: L =π ⋅. 2 ⋅ R + Dz ⋅ (ω + 2 ⋅ β ) 360 0. (3.11). Gdzie kąt ω wynosi najczęściej 1800 zaś kąt β wynosi najczęściej 150. Wg [36], długość odcinka rury wsadowej do ukształtowania kolana o kącie 1800 wynosi:. L = 1,1 ⋅ (2 ⋅ R + Dw ) ⋅. π 2. (3.12). Obliczona na podstawie zaleŜności (3.12) długość rury wsadowej uwzględnia 10% jej długości na odcięcie zniekształconych końców. Prędkość odkształcenia W pracy [59] oszacowano prędkość względnego powiększania średnicy rury podczas kształtowania kolana. Obliczono ją jako stosunek względnego powiększenia średnicy zewnętrznej rury do czasu przemieszczania wzdłuŜnego odcinka rury, przy załoŜeniu stałej prędkości liniowej spychania. Względne powiększenie zewnętrznej średnicy rury wynosi:. ε dz =. Dz − d z dz. (3.13). Autorzy cytowanej pracy nie precyzują niestety, jak naleŜy określać wielkość przemieszczenia wzdłuŜnego. MoŜna domyślać się, Ŝe chodzi o długość odcinka rury znajdującej się w strefie odkształcającej trzpienia. Tak czy inaczej, obliczone przez nich wartości prędkości względnego powiększania średnicy rury są rzędu 1·10-3 s-1 , co odpowiada prędkościom odkształcenia przy kształtowaniu nadplastycznym.. Miary odkształcenia Dostępne w literaturze zaleŜności opisujące wielkość odkształceń będących wynikiem kształtowania kolan są wartościami średnimi. W pracy [36] jako miary odkształcenia zaproponowano względne zmiany wymiarów odkształcanej rury: a) powiększenie średniej średnicy rury (mierzone w połowie grubości ścianki rury):. εd =. Dw − d w dw + g. (3.14). b) względne wzdłuŜne skrócenie rury na wewnętrznej stronie kolana (mierzone na ściance rury):. 31.

(32) ε lw =. 2 ⋅ Dw 2 ⋅ R + Dw. (3.15). Tak więc względne wzdłuŜne skrócenie rury na wewnętrznej stronie kolana εlw wynosi odpowiednio dla kolan:. typ 2 typ 3 typ 4 typ 5. εlw = 66 % εlw = 50 % εlw = 40 % εlw = 32 %.. 3.4.5. Kalibrowanie trzpieni odkształcających W metodzie hamburskiej jedynym narzędziem, które odkształca materiał rury jest specjalnie ukształtowany trzpień. Od jego prawidłowego kształtu zaleŜy w duŜej mierze jakość kolan. Trzpień stanowi oddzielną całość, mocowaną do drąga maszyny kształtującej. Narzędzia stosowane w przemyśle od prawie stulecia mają podobne kalibrowanie [36, 60]. Trzpienie mają kształt odcinka walca płynnie przechodzącego w formę zagiętego stoŜka ściętego a następnie w odcinek torusa (rys. 3.21). Wszystkie przekroje trzpienia - normalne do jego bieŜącej krzywizny - są kołami.. R IV. III II. I. Rys. 3.21. Kształt trzpienia z podziałem na poszczególne strefy [60]: I strefa prowadząca; II - strefa wprowadzająca; III - strefa odkształcająca; IV - strefa kalibrująca.. Jako, Ŝe kaŜda z tych części trzpienia spełnia inną funkcję w trakcie kształtowania rury, poszczególne odcinki mają przyporządkowane odpowiednie nazwy. Tak więc zaczynając od części łączonej z drągiem maszyny kształtującej występuje kolejno:. I - strefa prowadząca - słuŜy do prowadzenia odcinka rury, ma formę walca o średnicy równej lub nieznacznie mniejszej od średnicy wewnętrznej rury wsadowej; II - strefa wprowadzająca - łączy strefę prowadzącą z odkształcającą. Ma formę stoŜka, kompensuje róŜnicę między średnicą strefy prowadzącej a przekrojem początku strefy odkształcającej; 32.