RU2378069C1

RU2378069C1 - Mill for pipes drawing on fixed mandrel

Info

Publication number: RU2378069C1
Application number: RU2008125287/02A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Серебряков (RU); Андрей Васильевич Серебряков; Сергей Павлович Буркин (RU); Сергей Павлович Буркин; Александр Васильевич Серебряков (RU); Александр Васильевич Серебряков; Сергей Борисович Прилуков (RU); Сергей Борисович Прилуков; Сергей Александрович Ладыгин (RU); Сергей Александрович Ладыгин; Дмитрий Всеволодович Марков (RU); Дмитрий Всеволодович Марков; Алексей Сергеевич Циндраков (RU); Алексей Сергеевич Циндраков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Первоуральский новотрубный завод"
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2010-01-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention is provided for improvement of pipes ensured by removing of defect "ringing" at inner surface of pipes, received by drawing at some fixed mandrel, particularly pipes made of corrosion-resistant steels of austenitic grade for fuel element of nuclear reactor. Mill contains stand, drive of linear translation propelling tool carriage, propelling tool carriage with catch for holding of clogged end of pipe, drawing die with installed in it die block, device of barrel-type feeding type of pipes and mandrels, containing at least two tubular flutes with rigidly fixed in it at back end by rods with short mandrels and implemented with ability of axial movement and rotation of barrel around axis which is parallel to drawing axis, drives of rotation and axial movement of barrel.

EFFECT: excluding of formation of resonance oscillations of mandrel at drawing is provided ensured by that barrel is implemented with ability of introduction and supporting of front ends of tubular flutes into rebore of drawing die, co-axial to wire die block.

1 dwg

Description

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к производству холоднотянутых труб, обрабатываемых волочением с короткой закрепленной оправкой, и может быть использовано при изготовлении труб с высококачественной внутренней поверхностью, в частности труб из коррозионностойких сталей аустенитного класса для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.The invention relates to the processing of metals by pressure, namely the production of cold drawn pipes processed by drawing with a short fixed mandrel, and can be used in the manufacture of pipes with a high-quality inner surface, in particular pipes from corrosion-resistant austenitic steel for fuel elements of nuclear reactors.

Известны конструкции волочильных станов линейного типа (Когос A.M. Механическое оборудование волочильных и лентопрокатных цехов. М.: Металлургиздат, 1957. С.105-108, рис.52-53; Савин Г.А. Волочение труб. М.: Металлургия, 1982, С.130-132; Машины и агрегаты для обработки цветных металлов и сплавов / В.С.Паршин, В.П.Костров, Б.С.Сомов и др. М.: Металлургия, 1988. С.366-369, рис.225), выбранные в качестве прототипа, включающие станину, привод линейного перемещения тянущей каретки, тянущую каретку с захватом для удержания забитого конца трубы, волочильную доску с установленной в ней волокой, устройство барабанного типа подачи труб и оправок, содержащее, по меньшей мере, два трубчатых желоба (контейнера) с жестко закрепленными внутри них на заднем конце стержнями с короткими оправками и выполненное с возможностью осевого перемещения и поворота барабана вокруг оси, параллельной оси волочения, приводы поворота и осевого перемещения барабана. Особенностью конструкций известных станов является наличие жесткого упора заднего фланца барабана устройства подачи труб и оправок в стойку, закрепленную на фундаменте. После смещения посредством гидро- или пневмоцилиндра барабана с трубчатыми желобами (контейнерами), внутри которых закреплены на заднем конце желобов оправки с надетой трубной заготовкой, в направлении волочения для ввода забитого конца трубы в волоку передние концы желобов не касаются волочильной доски. Поэтому во время волочения силы трения на поверхности оправки создают силу растяжения стержня оправки. Поскольку расстояние между волочильной доской и стойкой, в которую упирается задний фланец барабана подающего устройства, является конструктивным и неизменным параметром волочильного стана, изменение длины стержня оправки невозможно. Если протягивается партия коротких труб, то вынужденно используется оправка полной длины, определяемой размером волочильного стана. Недостатком конструкции волочильного стана по прототипу является низкое качество внутренней поверхности трубы из-за появления дефекта «кольцеватость», появляющегося вследствие продольных автоколебаний стержня оправки (Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов / А.В.Зиновьев, А.И.Колпашников, П.И.Полухин и др. М.: Металлургия, 1992. С.476). Автоколебания возникают из-за нестабильного режима подачи смазки на контактную поверхность трубы с оправкой. Коэффициент трения покоя всегда выше, чем при движении из-за выдавливания смазки. В начале волочения сила трения, растягивающая стержень оправки, велика и, следовательно, велика упругая деформация стержня; оправка при этом смещается в направлении волочения по отношению зоны обжатия стенки трубы. После начала волочения смазка нагнетается в зону контакта трубы с оправкой за счет действия так называемого «смазочного клина». В процессе нагнетания смазки коэффициент трения снижается, и сила трения становится меньше силы натяжения оправки. При этом оправка смещается в обратном направлении. Порция смазки высокого давления прорывается вперед через калибрующую часть волоки, формируя кольцевой след на поверхности трубы. Поскольку волочение продолжается, снова возобновляется процесс нагнетания смазки. В итоге возникают устойчивые колебания оправки с частотой ω и достаточно малой амплитудой.Known designs of drawing mills of linear type (Kogos AM Mechanical equipment of drawing and tape rolling shops. M: Metallurgizdat, 1957. P.105-108, Fig. 52-53; Savin G.A. Tube drawing. M: Metallurgy, 1982, S.130-132; Machines and assemblies for the processing of non-ferrous metals and alloys / V.S. Parshin, V.P. Kostrov, B.S. Somov, etc. M .: Metallurgy, 1988. S.366-369, rice .225), selected as a prototype, including a bed, a linear carriage drive for the pulling carriage, a pulling carriage with a gripper to hold the clogged end of the pipe, and a drawing board with an installed in it, a drum-type device for feeding pipes and mandrels, containing at least two tubular gutters (containers) with rods with short mandrels rigidly fixed inside them at the rear end and made with the possibility of axial movement and rotation of the drum around an axis parallel to the axis drawing, drive rotation and axial movement of the drum. A feature of the designs of the known mills is the presence of a hard stop of the rear flange of the drum of the device for feeding pipes and mandrels to the rack, mounted on the foundation. After displacement by means of a hydraulic or pneumatic cylinder of a drum with tubular gutters (containers), inside of which are fixed on the rear end of the mandrels of the mandrel with the tubular billet on, in the drawing direction to enter the clogged end of the pipe into the fiber, the front ends of the gutters do not touch the drawing board. Therefore, during drawing, friction forces on the surface of the mandrel create a tensile force of the mandrel bar. Since the distance between the drawing board and the stand against which the rear flange of the feed drum abuts is a constructive and invariable parameter of the drawing mill, changing the length of the mandrel bar is not possible. If a batch of short pipes is stretched, then a full length mandrel, determined by the size of the drawing mill, is forced to be used. The disadvantage of the design of the drawing mill according to the prototype is the low quality of the inner surface of the pipe due to the appearance of the “ringing” defect that appears due to longitudinal self-oscillations of the mandrel bar (Technology for processing pressure of non-ferrous metals and alloys / A.V. Zinoviev, A.I. Kolpashnikov, P. I. Polukhin and others. M .: Metallurgy, 1992. S. 476). Self-oscillations occur due to an unstable mode of supply of lubricant to the contact surface of the mandrel pipe. The coefficient of rest friction is always higher than when driving due to extrusion of the lubricant. At the beginning of the drawing, the friction force stretching the mandrel bar is large and, therefore, the elastic deformation of the bar is great; the mandrel is shifted in the direction of drawing in relation to the compression zone of the pipe wall. After the start of drawing, the lubricant is injected into the zone of contact of the pipe with the mandrel due to the action of the so-called “lubricating wedge”. In the process of pumping lubricant, the friction coefficient decreases, and the friction force becomes less than the mandrel tension force. In this case, the mandrel is shifted in the opposite direction. A portion of the high-pressure lubricant breaks forward through the gauge portion of the die, forming an annular trace on the surface of the pipe. As the drawing continues, the lubrication injection process is resumed. As a result, stable mandrel vibrations arise with a frequency ω and a sufficiently small amplitude.

Каждая механическая система характеризуется собственной частотой колебаний. При установке короткой оправки на стержне, жестко закрепленном на заднем торце желоба, колебательный процесс оправки определяется частотой ее собственных колебаний, равной

, с^-1, где с - коэффициент жесткости стержня оправки; m - масса стержня. Коэффициент жесткости определяется выражением

, где S - площадь поперечного сечения стержня; Е - модуль упругости материала стержня; l - длина стержня. Таким образом, частота р может быть выражена как

, Each mechanical system is characterized by its own oscillation frequency. When installing a short mandrel on the rod, rigidly fixed to the rear end of the gutter, the oscillatory process of the mandrel is determined by the frequency of its own vibrations equal to

, s ^-1 , where c is the coefficient of rigidity of the mandrel rod; m is the mass of the rod. The stiffness coefficient is determined by the expression

where S is the cross-sectional area of the rod; E is the elastic modulus of the rod material; l is the length of the rod. Thus, the frequency p can be expressed as

,

γ - плотность материала оправки.γ is the density of the mandrel material.

Амплитуда продольных колебаний короткой оправки определяется отношением частот ω и р [5]. Если частота возмущающей силы ω мала по сравнению с частотой собственных колебаний стержня р, то амплитуда вынужденных колебаний оправки мало отличается от равновесной амплитуды

, Р - продольная сила трения между трубой и оправкой.The amplitude of the longitudinal vibrations of a short mandrel is determined by the ratio of frequencies ω and p [5]. If the frequency of the perturbing force ω is small compared with the frequency of the natural oscillations of the rod p, then the amplitude of the forced oscillations of the mandrel differs little from the equilibrium amplitude

, P is the longitudinal friction force between the pipe and the mandrel.

При приближении частоты возмущающей силы к частоте собственных колебаний амплитуда колебаний возрастает и при ω/р=1 становится неограниченно большой (резонансное явление). Наконец при частоте возмущающей силы ω больше, чем частота собственных колебаний, амплитуда снова уменьшается, приближаясь к нулю.As the frequency of the perturbing force approaches the frequency of the natural oscillations, the amplitude of the oscillations increases and at ω / p = 1 it becomes infinitely large (resonance phenomenon). Finally, at a frequency of the perturbing force, ω is greater than the frequency of the natural oscillations, the amplitude decreases again, approaching zero.

Если возмущающая сила (сила натяжения оправки) меняется по гармоническому закону, то резонанс возможен только при совпадении частот ω=р. Однако, если на механическую систему воздействует периодическая возмущающая сила с периодом колебаний Т, то есть ω=2π/Т, тогда, как следует из теории негармонических колебаний (Расчеты на прочность в машиностроении / С.Д.Пономарев, В.Л.Бидерман, К.К.Лихарев и др. М.: Машгиз, 1959. Т.3. С.215-220; 284-290), резонанс наступает не только при ω=р, но и при ω=р/2, р/4, р/6 и т.д.If the disturbing force (the force of the mandrel tension) varies in harmonic law, then resonance is possible only if the frequencies ω = p coincide. However, if a periodic disturbing force with a period of oscillation T acts on the mechanical system, i.e., ω = 2π / T, then, as follows from the theory of non-harmonic oscillations (Strength calculations in mechanical engineering / S.D. Ponomarev, V.L. Biderman, K.K. Likharev et al. M .: Mashgiz, 1959. T.3. S.215-220; 284-290), resonance occurs not only at ω = p, but also at ω = p / 2, p / 4, p / 6, etc.

В современной практике волочения труб на закрепленной оправке при используемых длинах стержней оправок и скоростях волочения в редких случаях удается избежать резонансных явлений и появления дефекта внутренней поверхности, называемого «кольцеватость» (Технология обработки давлением цветных металлов и сплавов / А.В.Зиновьев, А.И.Колпашников, П.И.Полухин и др. М.: Металлургия, 1992. С.476).In modern practice, the drawing of pipes on a fixed mandrel with the used lengths of the mandrel rods and drawing speeds in rare cases, it is possible to avoid resonance phenomena and the appearance of a defect in the inner surface called “ringing” (Technology of pressure treatment of non-ferrous metals and alloys / A.V. Zinoviev, A. I.Kolpashnikov, P.I. Polukhin and others. M .: Metallurgy, 1992. S. 476).

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение качества труб за счет устранения дефекта «кольцеватость» на внутренней поверхности труб, получаемых волочением на закрепленной оправке.The technical problem to which the claimed invention is directed is to improve the quality of the pipes by eliminating the “ringing” defect on the inner surface of the pipes obtained by drawing on a fixed mandrel.

Указанная задача решается тем, что у стана для волочения труб на закрепленной оправке, включающего станину, привод линейного перемещения тянущей каретки, тянущую каретку с захватом для удержания забитого конца трубы, волочильную доску с установленной в ней волокой, устройство барабанного типа подачи труб и оправок, содержащее, по меньшей мере, два трубчатых желоба с жестко закрепленными внутри них на заднем конце стержнями с короткими оправками и выполненное с возможностью осевого перемещения и поворота барабана вокруг оси, параллельной оси волочения, приводы поворота и осевого перемещения барабана, барабан выполнен с возможностью ввода и упора передних концов трубчатых желобов в расточку волочильной доски, соосную с волокой.This problem is solved by the fact that the mill for drawing pipes on a fixed mandrel, including the bed, the drive linear movement of the pulling carriage, the pulling carriage with a gripper to hold the clogged end of the pipe, drawing board with a wire installed in it, a drum-type device for feeding pipes and mandrels, comprising at least two tubular troughs with short mandrels rigidly fixed inside them at the rear end and configured to axially move and rotate the drum about an axis, in parallel drawing axis, drives the rotation and the axial movement of the drum, the drum is adapted to enter and lock the front ends of the tubular gutter in the drawing board bore coaxial with drawing dies.

При жестком упоре трубчатого желоба в расточку волочильной доски или волокодержателя к упругой системе стержня добавляется последовательно присоединенная труба желоба, так же как и стержень нагружаемая в процессе волочения периодически изменяющейся возмущающей силой с амплитудным значением Р. Образованная таким образом новая колебательная система стержня оправки и трубчатого желоба имеет иную и существенно отличную от оправки частоту собственных колебаний. В любом случае частота р уменьшается и ω становится гарантированно большей, чем р, что делает невозможным возникновение резонансных явлений в продольных колебаниях оправки. Чем меньше амплитуда этих колебаний, тем выше качество внутренней поверхности трубы после короткооправочного волочения.When the tubular gutter is rigidly supported, a series-connected gutter tube is added to the bore of the drawing board or fiber holder to the elastic system of the rod, just like the rod is loaded in the process of drawing by a periodically changing disturbing force with an amplitude value P. The new oscillating system of the mandrel bar and tubular gutter thus formed has a different and substantially different from the mandrel frequency of natural vibrations. In any case, the frequency p decreases and ω becomes guaranteed to be larger than p, which makes it impossible for resonance phenomena to occur in the longitudinal vibrations of the mandrel. The smaller the amplitude of these vibrations, the higher the quality of the inner surface of the pipe after a short drawing.

На чертеже представлена конструкция устройства подачи труб и оправок барабанного типа стана для волочения труб на закрепленной оправке.The drawing shows the design of the device for feeding pipes and mandrels of a drum-type mill for drawing pipes on a fixed mandrel.

Волочильный стан состоит из станины, привода тянущей каретки, тянущей каретки (на чертеже не показаны) с захватом 1 для удержания забитого конца трубы 2, волочильной доски 3 с установленной в ней волокой 4, а также устройства барабанного типа подачи оправок 5. В состав устройства входят барабан, включающий фланцы 6 и 7 и установленный с возможностью вращения и осевого перемещения вдоль оси 8, жестко закрепленной передним концов в волочильной доске 3 и задним - в опорной стойке 9. В расточках фланцев закреплено, по меньшей мере, два трубчатых желоба 10, внутри которых коаксиально желобам в заданном осевом положении установлены стержни 11 оправок 5. Задние резьбовые концы стержней оправок помещены в резьбовые пробки 12. Для фиксации осевого положения стержней с оправками на резьбовых концах стержней установлены контргайки 13. Для осевого перемещения барабана назад между передним фланцем 6 и волочильной доской 3 на оси 8 установлена пружина сжатия 14, а для перемещения вперед на заднем фланце 7 барабана на оси 8 закреплен коаксиально с ней пневмо- или гидроцилиндр 15, взаимодействующий с плунжером 16, неподвижно закрепленным на оси 8. В волочильной доске 3 соосно с волокой 4 выполнена расточка для свободного ввода в нее переднего конца трубчатого желоба 10. Для поворота барабана вокруг оси 8 предусмотрен привод поворота любого типа (на чертеже не показан) с элементом фиксации угловых положений трубчатых желобов. Верхнее зафиксированное положение оси трубчатого желоба совпадает с осью механизма подачи трубных заготовок 17 для надевания их на стержень с оправками.The drawing mill consists of a bed, a drive of a pulling carriage, a pulling carriage (not shown in the drawing) with a grip 1 for holding the clogged end of the pipe 2, drawing board 3 with a wire 4 installed in it, and a drum-type mandrel feed device 5. The device includes a drum including flanges 6 and 7 and mounted for rotation and axial movement along axis 8, rigidly fixed by the front ends in the drawing board 3 and the rear in the support rack 9. At least two tubular gutters are fixed in the flange bores 10, inside of which coaxial grooves in the predetermined axial position are fitted with the mandrel rods 11. The rear threaded ends of the mandrel rods are placed in the screw plugs 12. Locking nuts 13 are installed to fix the axial position of the mandrel rods on the threaded ends of the rods 13. For axial movement of the drum back between the front flange 6 and drawing board 3 on axis 8, a compression spring 14 is installed, and for moving forward on the rear flange 7 of the drum, an air or hydraulic cylinder 15, co-operating with the plunger, is coaxially fixed to it on the axis 8 By a ler 16 fixedly mounted on the axis 8. In the drawing board 3 coaxially with the wire 4, a bore is made for free entry of the front end of the tubular groove 10. A rotation drive of any type (not shown) with a locking element is provided for turning the drum around axis 8 angular positions of tubular gutters. The upper fixed position of the axis of the tubular groove coincides with the axis of the feed mechanism of the pipe blanks 17 for putting them on the rod with mandrels.

Стан для волочения труб на закрепленной оправке работает следующим образом. В исходном положении тянущая каретка с захватом 1 посредством привода подводится вплотную к волочильной доске 3. Барабан с трубчатыми желобами 10 под действием пружины 14 отведен в крайнее заднее (левое на чертеже) положение. При этом плунжер 16 упирается в дно цилиндра 15. Оси желобов 10 совпадают соответственно с осью волочения и осью подачи трубных заготовок 17. Заготовка 17 подается вдоль оси и надвигается на стержень 11 с оправкой 5 до упора оправки в забитый конец трубы. Барабан вручную или с помощью привода поворачивается на 180°, при этом забитый конец трубной заготовки становится напротив волоки 4 по ее оси. При подаче давления воздуха или жидкости в полость цилиндра 15 (показано стрелкой на чертеже), барабан смещается вперед (вправо на чертеже) до упора переднего конца трубчатого желоба 10 в расточку волочильной доски 3. При этом забитый конец трубы через каналы волоки 4 подается в губки зажимного устройства 1 тянущей каретки стана. После включения привода каретка движется вправо, осуществляя волочение трубы; при этом короткая оправка 5 расположена в зоне обжатия волоки 4. Сила трения между трубой 2 и оправкой 4 создает растягивающие напряжения в стержне 11 и сжимающие - в трубчатом желобе 10. Образуется двухмассовая колебательная система, частота собственных колебаний которой гарантированно меньше, чем у оправки и у возбуждающей силы, что предотвращает возникновение резонансных колебаний оправки и обеспечивает повышение качества обработки внутренней поверхности трубы.The mill for drawing pipes on a fixed mandrel operates as follows. In the initial position, the pulling carriage with the gripper 1 by means of the drive is brought close to the drawing board 3. The drum with the tubular grooves 10, under the action of the spring 14, is taken to the extreme rear (left in the drawing) position. In this case, the plunger 16 abuts against the bottom of the cylinder 15. The axes of the grooves 10 coincide with the drawing axis and the feed axis of the pipe blanks 17. The workpiece 17 is fed along the axis and pushed onto the rod 11 with the mandrel 5 until the mandrel stops at the clogged end of the pipe. The drum is manually or by means of a drive rotated 180 °, while the clogged end of the tube billet is opposite the die 4 along its axis. When applying air or liquid pressure to the cavity of the cylinder 15 (shown by the arrow in the drawing), the drum shifts forward (to the right in the drawing) until the front end of the tubular groove 10 stops in the bore of the drawing board 3. At the same time, the clogged end of the pipe through the channels of the die 4 is fed into the jaws clamping device 1 of the pulling carriage of the mill. After turning on the drive, the carriage moves to the right, drawing the pipe; wherein the short mandrel 5 is located in the compression zone of the die 4. The friction force between the pipe 2 and the mandrel 4 creates tensile stresses in the rod 11 and compressive forces in the tubular groove 10. A two-mass oscillatory system is formed, the natural frequency of which is guaranteed to be lower than that of the mandrel and the exciting force, which prevents the occurrence of resonant oscillations of the mandrel and provides improved processing quality of the inner surface of the pipe.

Для обеспечения возможности регулирования частоты собственных колебаний двухмассовой системы «стержень оправки - трубчатый желоб» допускается установка дополнительной инерционной массы в виде массивной втулки 18, фиксируемой в определенной позиции по длине желоба с помощью стопора 19. Перемещением инерционной массы 18 вдоль трубчатого желоба можно менять частоту собственных колебаний системы и устранять резонансные явления, возможные при изменении параметров волочения (скорость, обжатие, смазка, материалы трубы и оправки, длина стержня оправки).To provide the ability to control the frequency of natural oscillations of the two-mass system “mandrel bar - tubular gutter”, it is possible to install an additional inertial mass in the form of a massive sleeve 18 fixed in a certain position along the length of the gutter using the stopper 19. By moving the inertial mass 18 along the tubular gutter, you can change the frequency of the natural oscillations of the system and eliminate resonance phenomena that are possible when changing the drawing parameters (speed, compression, lubrication, pipe and mandrel materials, rod length I'm mandrel).

Claims

A mill for drawing pipes on a fixed mandrel, including a bed, a pulling carriage with a gripper to hold the clogged end of the pipe, a drive for linear movement of the pulling carriage, a drawing board with a wire mounted in it, a drum-type tube and mandrel feed device containing at least a drum two tubular troughs with rods with short mandrels rigidly fixed inside them at the rear end and made with the possibility of axial movement and rotation of the drum around an axis parallel to the axis of drawing by means of vodov rotation and axial movement of the drum, wherein the drum is configured to enter and lock the front ends of the tubular gutters formed in the drawplates in bore coaxial with drawing dies.