Как согнуть конус из листового металла. Пробивка толстостенных листов. Что справится с вальцеванием обечаек

Вместо слова «выкройка» иногда употребляют «развертка», однако этот термин неоднозначен: например, разверткой называют инструмент для увеличения диаметра отверстия, и в электронной технике существует понятие развертки. Поэтому, хоть я и обязан употребить слова «развертка конуса», чтобы поисковики и по ним находили эту статью, но пользоваться буду словом «выкройка».

Построение выкройки для конуса — дело нехитрое. Рассмотрим два случая: для полного конуса и для усеченного. На картинке (кликните, чтобы увеличить) показаны эскизы таких конусов и их выкроек. (Сразу замечу, что речь здесь пойдет только о прямых конусах с круглым основанием. Конусы с овальным основанием и наклонные конусы рассмотрим в следующих статьях).

1. Полный конус

Обозначения:

Параметры выкройки рассчитываются по формулам:
;
;
где .

2. Усеченный конус

Обозначения:

Формулы для вычисления параметров выкройки:
;
;
;
где .
Заметим, что эти формулы подойдут и для полного конуса, если мы подставим в них .

Иногда при построении конуса принципиальным является значение угла при его вершине (или при мнимой вершине, если конус усеченный). Самый простой пример — когда нужно, чтобы один конус плотно входил в другой. Обозначим этот угол буквой (см. картинку).
В этом случае мы можем его использовать вместо одного из трех входных значений: , или . Почему «вместо «, а не «вместе «? Потому что для построения конуса достаточно трех параметров, а значение четвертого вычисляется через значения трех остальных. Почему именно трех, а не двух и не четырех — вопрос, выходящий за рамки этой статьи. Таинственный голос мне подсказывает, что это как-то связано с трехмерностью объекта «конус». (Сравните с двумя исходными параметрами двухмерного объекта «сегмент круга», по которым мы вычисляли все остальные его параметры в статье .)

Ниже приведены формулы, по которым определяется четвертый параметр конуса, когда заданы три.

4. Методы построения выкройки

• Вычислить значения на калькуляторе и построить выкройку на бумаге (или сразу на металле) при помощи циркуля, линейки и транспортира.
• Занести формулы и исходные данные в электронную таблицу (например, Microsoft Exel). Полученный результат использовать для построения выкройки при помощи графического редактора (например, CorelDRAW).
• использовать мою программу , которая нарисует на экране и выведет на печать выкройку для конуса с заданными параметрами. Эту выкройку можно сохранить в виде векторного файла и импортировать в CorelDRAW.

5. Не параллельные основания

Что касается усеченных конусов, то программа Cones пока строит выкройки для конусов, имеющих только параллельные основания.
Для тех, кто ищет способ построения выкройки усеченного конуса с не параллельными основаниями, привожу ссылку, предоставленную одним из посетителей сайта:
Усеченный конус с не параллельными основаниями.

Иногда возникает задача – изготовить защитный зонт для вытяжной или печной трубы, вытяжной дефлектор для вентиляции и т.п. Но прежде чем приступить к изготовлению, надо сделать выкройку (или развертку) для материала. В интернете есть всякие программы для расчета таких разверток. Однако задача настолько просто решается, что вы быстрее рассчитаете ее с помощью калькулятора (в компьютере), чем будете искать, скачивать и разбираться с этими программами.

Начнем с простого варианта — развертка простого конуса. Проще всего объяснить принцип расчета выкройки на примере.

Допустим, нам надо изготовить конус диаметром D см и высотой H сантиметров. Совершенно понятно, что в качестве заготовки будет выступать круг с вырезанным сегментом. Известны два параметра – диаметр и высота. По теореме Пифагора рассчитаем диаметр круга заготовки (не путайте с радиусом готового конуса). Половина диаметра (радиус) и высота образуют прямоугольный треугольник. Поэтому:

Итак, теперь мы знаем радиус заготовки и можем вырезать круг.

Вычислим угол сектора, который надо вырезать из круга. Рассуждаем следующим образом: Диаметр заготовки равен 2R, значит, длина окружности равна Пи*2*R — т.е. 6.28*R. Обозначим ее L. Окружность полная, т.е. 360 градусов. А длина окружности готового конуса равна Пи*D. Обозначим ее Lm. Она, естественно, меньше чем длина окружности заготовки. Нам нужно вырезать сегмент с длиной дуги равной разности этих длин. Применим правило соотношения. Если 360 градусов дают нам полную окружность заготовки, то искомый угол должен дать длину окружности готового конуса.

Из формулы соотношения получаем размер угла X. А вырезаемый сектор находим путем вычитания 360 – Х.

Из круглой заготовки с радиусом R надо вырезать сектор с углом (360-Х). Не забудьте оставить небольшую полоску материала для нахлеста (если крепление конуса будет внахлест). После соединения сторон вырезанного сектора получим конус заданного размера.

Например: Нам нужен конус для зонта вытяжной трубы высотой (Н) 100 мм и диаметром (D) 250 мм. По формуле Пифагора получаем радиус заготовки – 160 мм. А длина окружности заготовки соответственно 160 x 6,28 = 1005 мм. В тоже время длина окружности нужного нам конуса — 250 x 3,14 = 785 мм.

Тогда получаем, что соотношение углов будет такое: 785 / 1005 x 360 = 281 градус. Соответственно вырезать надо сектор 360 – 281 = 79 градусов.

Расчет заготовки выкройки для усеченного конуса.

Такая деталь бывает нужна при изготовлении переходников с одного диаметра на другой или для дефлекторов Вольперта-Григоровича или Ханженкова. Их применяют для улучшения тяги в печной трубе или трубе вентиляции.

Задача немного осложняется тем, что нам неизвестна высота всего конуса, а только его усеченной части. Вообще же исходных цифр тут три: высота усеченного конуса Н, диаметр нижнего отверстия (основания) D, и диаметр верхнего отверстия Dm (в месте сечения полного конуса). Но мы прибегнем к тем же простым математическим построениям на основе теоремы Пифагора и подобия.

В самом деле, очевидно, что величина (D-Dm)/2 (половина разности диаметров) будет относиться с высотой усеченного конуса Н так же, как и радиус основания к высоте всего конуса, как если бы он не был усечен. Находим полную высоту (P) из этого соотношения.

(D – Dm)/ 2H = D/2P

Отсюда Р = D x H / (D-Dm).

Теперь зная общую высоту конуса, мы можем свести решение задачи к предыдущей. Рассчитать развертку заготовки как бы для полного конуса, а затем «вычесть» из нее развертку его верхней, ненужной нам части. А можем рассчитать непосредственно радиусы заготовки.

Получим по теореме Пифагора больший радиус заготовки — Rz. Это квадратный корень из суммы квадратов высоты P и D/2.

Меньший радиус Rm – это квадратный корень из суммы квадратов (P-H) и Dm/2.

Длина окружности нашей заготовки равна 2 х Пи х Rz, или 6,28 х Rz. А длина окружности основания конуса – Пи х D, или 3,14 х D. Соотношение их длин и дадут соотношение углов секторов, если принять, что полный угол в заготовке – 360 градусов.

Т.е. Х / 360 = 3,14 x D / 6.28 x Rz

Отсюда Х = 180 x D / Rz (Это угол, который надо оставить, что бы получить длину окружности основания). А вырезать надо соответственно 360 – Х.

Например: Нам надо изготовить усеченный конус высотой 250 мм, диаметр основание 300 мм, диаметр верхнего отверстия 200 мм.

Находим высоту полного конуса Р: 300 х 250 / (300 – 200) = 600 мм

По т. Пифагора находим внешний радиус заготовки Rz: Корень квадратный из (300/2)^2 + 6002 = 618,5 мм

По той же теореме находим меньший радиус Rm: Корень квадратный из (600 – 250)^2 + (200/2)^2 = 364 мм.

Определяем угол сектора нашей заготовки: 180 х 300 / 618,5 = 87.3 градуса.

На материале чертим дугу с радиусом 618,5 мм, затем из того же центра – дугу радиусом 364 мм. Угол дуги может имеет примерно 90-100 градусов раскрытия. Проводим радиусы с углом раскрытия 87.3 градуса. Наша заготовка готова. Не забудьте дать припуск на стыковку краев, если они соединяются внахлест.

Типовой технологический цикл изготовления обечаек из листа включает следующие этапы:

1) Входной контроль, правка, очистка листа.
2) Разметка и резка заготовок.
3) Обработка кромок под сварные швы.
4) Сборка заготовок.
5) Сварка листовых заготовок.
6) Вальцовка (штамповка) обечаек.
7) Сварка продольных швов.
8) Калибровка.
9) Контроль.

При необходимости также производят дополнительные операции:

1) Зиговку обечаек (рис. 3). Внутренние зиги служат для установки опор, перегородок, решеток. Наружные зиги - для придания жесткости обечайке.
2) Отбортовку торцов внутрь (под установку днищ и рубашек охлаждения) или наружу для монтажа накидных фланцев (рис.4); отбортовку отверстий в обечайках (рис. 5).
3) Шлифование абразивными кругами или лентами (рис.6).

Волнистость листовых заготовок может стать причиной потери устойчивости обечайки аппарата, поэтому заготовки необходимо подвергать правке перед вальцовкой.

При отсутствии необходимого оборудования в условиях мелкосерийного или единичного производства необходимо отбраковывать негодный лист на этапе входного контроля.

Правку листа производят на многовалковых машинах (рис.7). Шаг между валками и количество роликов определяются в зависимости от толщины листа (таблица 1).

Очистку листовых заготовок производят несколькими методами:

1) Пескоструйная очистка струей сжатого воздуха, в котором находятся частицы абразивного песка. После сухой пескоструйной очистки необходимо обеспыливание поверхности. Вместо песка возможно использование мелкой дроби из стали или чугуна (дробеструйная очистка).
2) Дробеметная очистка в проходных дробеметных установках. Этот способ очень производителен и эффективен, однако он неприменим для тонколистовых заготовок, так как в процессе обработки происходит их коробление (толщина листа должна быть не менее 5 мм). Дробеметная очистка позволяет удалить как тяжелые загрязнения (окалину), так и следы смазок и масел.

3) Очистка металлическими вращающимися щетками.
4) Газопламенным нагревом горелкой, смонтированной на роликовых опорах, производят термическую очистку. При нагреве до 150 градусов происходит отделение окалины и отслаивание ржавчины, которую затем зачищают металлическими щетками.
5) Химическое обезжиривание ручной протиркой или распылением растворителем, либо в ваннах. После химического обезжиривания должна производиться промывка водой и сушка.

Исходя из фактических размеров листа, характера его кромки (обрезная или не обрезная), ширины вальцев, припусков под обработку кромок и сварочных зазоров, производят раскрой - графическое изображение наиболее рационального (малоотходного) варианта резки листа (рис.8). При этом возможны индивидуальный вариант раскроя для одной или нескольких однотипных деталей; смешанный - с учетом других деталей, необходимых для изготовления конкретного узла или изделия; групповой - для партии изделий, в этом случае вырезают сначала крупные детали, затем более мелкие. Коэффициент раскроя определяется как отношение чистого веса детали к норме расхода на деталь с учетом раскроя. Чем выше этот коэффициент, тем экономнее раскрой.

Разметку заготовок на листе производят мелом или чертилкой с применением универсального измерительного инструмента. При резке на портальных газорезательных машинах с ЧПУ разметка не требуется.
Резка заготовок производится на гильотинных ножницах с наклонными/прямыми ножами, на дисковых ножницах или термическими способами (кислородная, дуговая, плазменная или лазерная резка). Первый способ является наиболее производительным, но имеются ограничения по возможной толщине листа.
Кромки заготовок под сварку обрабатываются на кромкострогальных, кромкофрезерных станках, термической резкой или ручными способами в единичном производстве (шлифмашинки, напильники, пневматические молотки). Форма разделки кромок зависит от требований нормативной документации на изготовление сосудов и аппаратов и может быть нескольких видов (рис.9).
Вальцовку (гибку) листа производят на двухвалковых машинах (для толщин не более 5 мм) и трехвалковых вальцах. Путем передвижения верхнего валка на трехвалковых симметричных машинах регулируется радиус гибки (диаметр обечайки). Лист прокатывается несколько раз (рис.10). После этого производится подгибка концов обечайки.

От ровного листа до круглой обечайки:

Вальцы с асимметричным расположением валков (рис.11) производят практически полную гибку обечайки.
Наиболее современными являются четырехвалковые машины (рис.12), на которых за один цикл осуществляется вальцовка и подгибка краев.
Радиус гибки обечаек проверяют шаблонами. Возможные дефекты вальцовки цилиндрических обечаек приведены на рис.14.

Также способы получения нужной формы бывают разные.

Гибка конических обечаек производится несколькими способами:

1) Установкой под углом среднего валка у симметричных трехвалковых машин и бокового валка у асимметричных трехвалковых и четырехвалковых вальцев (рис.15).
2) Гибкой по средней линии последовательно по различным участкам (рис.16) на вальцах. Сначала осуществляют подгибку кромок, затем гнут середину заготовки на каждом участке с переустановками. Такой способ приводит к повышенному износу оборудования.
3) Гибка обечаек на вальцах со сменными коническими валками. Этот способ оправдан в серийном и массовом производстве.
4) Безвальцевым способом для листа толщиной до 20 мм. На рис. 17 показан метод свертывания. Кромки 3 и 4 заготовки закрепляют в опорах 2 и 5, сводят друг к другу, одновременно поворачивают опоры в разных направлениях. Далее кромки конической обечайки соединяют на прихватках и снимают со станка.
5) Наиболее производительным способом является изготовление конических обечаек в штампах (рис.18).
Перед сваркой частей обечаек производят их предварительную фиксацию для исключения деформации элементов и обеспечения сварочных зазоров. Совмещение кромок обычно производится струбцинами и сборочными кольцами для тонкого листа (рис.19). На одну обечайку устанавливается две струбцины по торцам.
Цилиндричность обечаек обеспечивается специальными приспособлениями с домкратами, распирающими деталь. При сборке габаритных деталей используются стяжные планки и клиновые соединения (рис.20).

Видео гибки конусной обечайки

После сборки проверяется сварочный зазор и выполняются сварочные прихватки (рис.21). Параметры прихваток приведены в таблице 2. Заходные и выводные планки применяются для обеспечения качественного сварного шва по торцам обечайки.

При сборке обечаек используются роликовые стенды (рис.22) и кантователи. Сварку кольцевых и продольных швов обечаек производят ручным способом, механизированным способом или с применением сварочных роботов.
Для ликвидации остаточных напряжений в сварных швах обечайки подвергают термообработке в шахтных печах.
После сварки производится калибровка обечайки на вальцах - прокатка ее в несколько заходов.
При окончательном контроле изготовленных обечаек проверяют их геометрические размеры, отсутствие деформаций и поверхностных дефектов детали.

Более подробно об изготовлении отдельных видов обечаек, читайте в разделах «Вентиляция», «Водосток» и «Для гибки металла».

При изготовлении трубопроводов, газопроводов, резервуаров, листовых конструкций доменных цехов, газгольдеров, силосов, бункеров, монорельсов детали их гнут в холодном состоянии. Холодную гибку выполняют на листогибочных вальцах, кромкогибочных прессах, роликогибочных станках, горизонтальных правильно-гибочных прессах и механических прессах.

Листогибочные вальцы придают листовой стали цилиндрическую и коническую форму. На листогибочных вальцах можно вальцевать листы на прямые усеченные конусы с углом не свыше 60° и диаметром окружности меньшего основания конуса Dmln^Kd/cos а, где а - угол между образующей и высотой конуса; d - диаметр верхнего валка; К= 1,1 … 1,18 - коэффициент, зависящий от угла а, толщины заготовки и радиуса гибки.

При гибке листов с конической поверхностью в упор к станине верхний валок устанавливается в наклонное положение под углом, величина которого зависит от радиуса гибки и толщины изгибаемого листа. Так как расстояние между верхним и нижним валками по их длине различно, то лист будет изгибаться на разные радиусы кривизны. Со стороны пониженного конца верхнего валка радиус гибки будет меньше, чем на противоположном приподнятом конце валка.

При вальцовке конических поверхностей, у листовых заготовок конусов предварительно подгибают обе продольные кромки на подкладном листе. В начале гибки рабочий, ломиком прижимая заготовку к верхнему валку, увеличивает трение между валком и поверхностью заготовки, чем способствует обкатыванию заготовки кромкой меньшей дуги вокруг станины вальцов.

На листогибочных вальцах, оборудованных специальными приспособлениями, проводят также гибку лепестков сферических поверхностей . Приспособление состоит из бочки, которую надевают на верхний валок, и постели-шаблона, который укладывают на нижние валки (рис. 61,(5). Бочка представляет собой отрезок толстостенной трубы, сваренной из листовой стали. Наружная поверхность бочки обточена по радиусу шара. Постель из листовой стали также имеет кривизну в двух направлениях (поперек и вдоль валков).

Заготовки лепестков, вырезанные из листовой стали, укладывают на постель и, прижимая бочкой, прокатывают несколько раз между бочкой и постелью.

Сферические лепестки изготовляют таким способом только при серийном производстве однотипных деталей и длительной загрузке вальцов.

Минимальный радиус сферической поверхности, изготовляемый холодной вальцовкой, составляет 3500 мм.

Гибка листов для образования конической поверхности производится в упор к станине и с установкой опорных роликов. При гибке листов в упор к станине 1 (рис. 59) верхний валок 4 устанавливается в наклонное положение под углом, который зависит от радиуса гибки и толщины изгибаемого листа. Гак как расстояние между верхним 4 и нижним 3 валками по их длине различно, то лист будет изгибаться на разные радиусы кривизны. Со стороны пониженного конца верхнего валка радиус гибки будет меньше, чем на противоположном, приподнятом конце валка.

Рис.59.Схема гибки конусов в упор к станине вальцов : 1-станина; 2-заготовка конуса; 3-нижние валки; 4-верхний валок.