Сохранение заданной формы поперечного сечения трубы

Особенностью оборудования для холодной гибки труб является наличие в них таких устройств, которые сохранили бы исходную (например, круглую) форму поперечного сечения трубы для избежания овальности и потери устойчивости. Это относится ко всем толщинам и диаметрам труб. Правильный выбор таких устройств может быть произведен при знании тех изменений формы трубы, которые происходят при переходе прямолинейной трубы в криволинейную

Фиг. 8. Способы сохранения круглой формы трубы в гибе.

При изгибе трубы всякая приложенная сила является источником перерезывающих сил. В гибе возникают сплющивающие силы двух родов: прямые от давления рабочих органов и порождаемые напряжениями изогнутых волокон трубы. Первые действуют во все время гибки, а вторые развиваются при искривлении трубы.
Силы возникающие при гибке трубы, сплющивают ее (уменьшается одна из главных осей поперечного сечения в плоскости изгиба) и увеличивают размер поперечного сечения в направлении, перпендикулярном плоскости изгиба (удлиняется вторая главная ось овала, фиг. 8, а).
Отсюда вытекают два основных способа сохранения круглой формы трубы, препятствующих сплющиванию при помощи устройств: 1) поддерживающих стенку изнутри главным образом в радиальном направлении — внутренний ограничитель (фиг. 8, б), 2) ограничивающих перемещение стенки трубы в направлении расширения — наружный ограничитель (фиг. 8, в).
Чтобы воспрепятствовать перемещениям стенки внутрь, можно применять наполнители или калибрующую пробку (дорн). В качестве наполнителей могут служить легкоплавкие металлы, смолы, резина или вода. Наибольшее предпочтение следует отдать резиновым наполнителям и воде. Однако при жестких допусках на овальность упругие наполнители не дают желаемого результата. Поэтому наибольшее распространение получили жесткие ограничители.
При применении в качестве ограничителя круглой пробки, плотно входящей внутрь трубы по всему периметру, возникнут препятствующие сплющиванию контактные усилия. Наличие зазоров, в особенности в направлении к оси изгиба, дает определенную свободу сплющиванию в этом участке. Происходит увеличение размеров трубы в области второй главной оси, которое сопровождается тем, что контактные напряжения и ограничения перемещений в этой области исчезает (фиг. 8, г). Поэтому практически аффективным является только какая-то часть (в зависимости от ограничителя) в окрестностях той из главных осей, которая укорачивается от сплющивания. Однако площадь контакта секторов дорна должна иметь определенную ширину, ибо если они узки (фиг. 8, г), то вне дорна моменты сплющивающих сил продолжают действовать и вызывают уширение трубы параллельно оси изгиба с постепенным уменьшением полноты кривой. Объясняется это тем, что при гибке трубы в зоне пластических деформаций достаточно самых ничтожных сплющивающих сил для появления остаточных деформаций сплющивания.
Чем больше сплющивающие силы, тем больше вытягивание грубы в перпендикулярном им направлении, тем больше вторичные перемещения, имеющие максимум на второй главной оси поперечного сечения трубы. Внешние ограничения противодействуют только этим вторичным перемещениям.
Подобно внутреннему ограничителю внешний ограничитель не может иметь полной эффективности по всей окружности поперечного сечения трубы, так как по той из главных осей первичных перемещений, которая укорачивается, контакт между трубой и ограничителем вторичных перемещений исчезает. Наиболее эффективная часть внешнего ограничителя лежит на второй, удлиняющейся главной оси. Подобно тому, как ни один внутренний ограничитель не освобождает изгибаемую трубу полностью от поперечной раздачи, никакой внешний ограничитель не может ее полностью освободить от сплющивания в плоскости изгиба (фиг..8, д). Поэтому для лучшего сохранения формы поперечного сечения необходимо применять внутренние или внешние ограничители достаточной ширины, а для более точного изготовления применять одновременно внешний и внутренний ограничители.

Форма поперечного сечения трубы зависит от диаметра ручья гибочного ролика. Так, если диаметр ручья гибочного ролика равен наружному диаметру трубы, то после гибки участок трубы, находившийся в контакте с гибочным роликом, остается круговым полуцилиндром первоначального диаметра. Контур участка трубы, не соприкасающегося с гибочным роликом, приобретает форму полуэллипса, большая ось которого больше наружного диаметра.
Если диаметр ручья гибочного ролика больше наружного диаметра трубы, то поперечное сечение трубы приобретает форму в виде двух полуэллипсов, у которых большая ось равна или немного меньше диаметра ручья гибочного ролика, а малая ось участка трубы, находившегося в ручье гибочного ролика, равна или немного меньше его радиуса.
При диаметре ручья гибочного ролика меньшем, чем диаметр трубы, форма поперечного сечения трубы, особенно у медных труб, состоит из полуокружности (в местах контакта трубы с ручьем гибочного ролика), а оставшаяся часть имеет очертание, несколько большее полуэллипса.
Отсутствие ограничителя дорна сказывается, прежде всего, в изменении толщины стенки в гибе (фиг. 9,а)).

фиг. 9. Сравнительные данные по изменению деформаций и прочности при гибке трубы из стали St 45.8 по радиусу гиба R= 110 мм с дорном и без дорна:
а-изменение толщины стенки; б -удлинения; в - изменение временного сопротивления и твердости; 1- без дорна (сторона сжатия); 2- с доном (сторона сжатия); 3 и 6 - без дорна (сторона растяжения); 4 и 5 - с дорном (сторона растяжения); 7 - с дорном; 8 - без дона

В зоне CDE для трубы с отношением (кривая 1 и 4) при гибке с дорном изменение толщины стенки на внутренней части гиба примерно в два раза меньше, чем при гибке без дорна, а на внешней части гиба примерно на 1/3 больше.

В зависимости от того, производится ли гибка труб с дорном или без него, происходит также различная по величине деформация стенки внешней части гиба. При гнутье с дорном труба диаметром 41,75 мм (фиг. 9, б) овализация уменьшается, а удлинения несколько более велики, чем при гибке без дорна. Изменение временного сопротивления при гибке по радиусу гиба R=100 мм с дорном и без дорна показано для трубы диаметром 51 мм с толщиной стенки 4 мм на фиг.9, в.
С утонением стенки трубы на внешней части гиба происходит увеличение твердости металла. Изменение твердости и изменения в гибе (по радиусу R = 60 мм) трубы диаметром 38 мм со стенкой толщиной 6 мм показано на фиг. 10.

фиг. 10. Изменение твердости на внешней части гиба: 1 - твердость; 2 - удлинение

Твердость может при гнутье увеличиться на значительную величину. Эта величина зависит от склонности стали к упрочнению (при растяжении).
При гибке с дорном утонение может быть настолько значительным, что толщина стенки изогнутой трубы уменьшится так, что она будет ниже допускаемых пределов на толщину стенки неизогнутых труб. Величина утонения практически не зависит от угла гиба после наступления равномерной деформации металла стенки трубы.
Дмитриев Б. С. нашел, что при гибке с дорном по радиусу R=2,8D-3,0D истинное удлинение на внешней части гиба меньше расчетного среднего относительного удлинения

фактическое удлинение равно 0,84δ (фиг. 3). Поэтому он рекомендует толщину стенки на внешней части гиба при гибке с дорном определять по формуле

Очевидно, удлинение на внешней части гиба зависит не только от геометрических параметров гиба и предела текучести трубы, но и от степени ее овализации, а следовательно, от формы и размера поддерживающих устройств. Увеличивая размер дорна в плоскости изгиба трубы, можно не только уменьшить овальность в гибе, но и свести ее к нулю.