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Dipartimento di MeccanicaSez. di Tecnologie Meccaniche e Produzione Corso di Tecnologia Meccanica LS1 1

LAMINAZIONE DI TUBI

Tratto da:– Ceretti E., Maccarini G.; Plasticità e Lavorazioni per Deformazione Plastica; Università degli Studi di Brescia (Capitolo 5)

– Bugini, Giardini, Pacagnella, Restelli; Tecnologia Meccanica - Lavorazioni per fusione e per deformazione plastica; Città Studi Edizioni (Capitolo 4)


LAMINAZIONE DI TUBI

Mediante laminazione è possibile ottenere un tubo senza saldature (seamless), quindi resistente e affidabile.

In alternativa i tubi possono essere prodotti:– partendo da nastro, ripiegandolo assialmente e saldandolo lungitudinalmente;

– mediante estrusione (anche di acciaio).


TUBI SLADATI E NON SALDATI


APPLICAZIONI TUBI NON SALDATI

L’impiego dei tubi senza saldatura è nei settori che richiedono un’elevata integrità al tubo: ad esempio nelle costruzioni civili per

– ridurre l’instabilità da carico di punta

– ridurre l’insorgenza di corrosione localizzata

– estetica

– ...


LAMINAZIONE DI TUBI

O negli impianti con fluidi in pressione per– elevate caratteristiche meccaniche

– ridurre l’insorgenza di corrosione localizzata

– ...


LAMINAZIONE DI TUBI

Il processo di laminazione di un tubo può essere diviso in tre fasi:

– produzione del forato: la billetta viene trasformata in un corpo cavo di limitata lunghezza con elevato spessore di parete. Viene effettuata a caldo.

– stiratura: dal forato si giunge al tubo vero e proprio, allungandolo e riducendone lo spessore di parete. Anche la stiratura viene effettuata a caldo.


LAMINAZIONE DI TUBI

Infine si ha la:– finitura: il tubo viene portato alle quote finali attraverso un processo di laminazione (a

caldo o a freddo) o trafilatura (a freddo). Se necessario viene anche raddrizzato (a freddo).


PRODUZIONE FORATO: Laminatoio Mannesmann

La produzione del forato viene comunemente effettuata con il laminatoio MANNESMANN (o laminazione obliqua).

Il grezzo di partenza è in generale una billetta ma può anche essere una colata continua. Il processo di produzione del forato è però discontinuo (billette fino a 5 metri circa).

La billetta viene riscaldata fino a 1250-1300 °C e portata al laminatoio.



I cilindri laminatori sono a forma di doppio cono uniti per la base maggiore e hanno assi sghembi. I due cilindri sono posti in rotazione la billetta viene posta tra di essi e mantenuta da opportuni cilindri o guide laterali (non visibili qui sotto). E’ presente anche un mandrino (o spina) centrale.



L’azione dell’attrito T tra i rulli e la billetta può essere scomposta in un’azione assiale (A) e una tangenziale (R). La prima genera una traslazione della billetta, la seconda una rotazione: la billetta avanza con moto elicoidale.

In generale:

αα

cos

sen

TR

TA

==

°≤≤° 1424 α



Nell’avanzare la billetta incontra la spina posizionata tra i rulli che lacera il materiale al centro e genera il tubo. In realtà l’azione di lacerazione è favorita dal particolare stato tensionale generato dai due rulli.



Osserviamo lo stato di sollecitazione in una generica sezione soggetta all’azione radiale P generata dal contatto con i rulli:

Consideriamo ora degli elementi di materiale che siano una porzione di corona circolare osservata sotto l’angolo dθ: si vede come la sollecitazione radiale sull’elemento più esterno sia di trazione sulla superficie interna (centripeta) per bilanciare l’azione circonferenziale generata da P.

A

D

B'

C'

O

PT

T

P

dθ

A

1

B

DC

A'B'

D' C'

2



L’elemento adiacente più vicino al centro è sollecitato sulla superficie esterna da un’azione di trazione radiale (centrifuga). Per l’equilibrio la sollecitazione sulla superficie interna deve essere maggiore perché la superficie è minore e perché si somma la componente orizzontale dell’azione circonferenziale. Proseguendo verso il centro si ricava che l’elemento centrale è sollecitato a trazione in direzione orizzontale e a compressione in direzione verticale. Di conseguenza, il materiale subisce un ciclo trazione-compressione ad ogni quarto di giro. In tempi rapidi il materiale si lacera e la spina dà forma al foro.

A

D

B'

C'

O

PT

T

P

dθ

A

1

B

DC

A'B'

D' C'

2



Ricapitolando…

A causa della presenza della spina centrale il processo è discontinuo: vengono prodotti spezzoni di tubo dai quali deve poi essere “sfilata” la spina centrale.


PRODUZIONE FORATO: Foratura della billetta

In alcuni casi prima del laminatoio Mannesmann si esegue un pre-foro cieco su una estremità della billetta con lo scopo di favorire l’inizio della lavorazione e l’apertura della billetta.



Una volta ottenuto, il forato deve essere allungato, probabilmente ridotto verrà ridotto il diametro e sicuramente verrà ridotto lo spessore della parete.

Il forato viene quindi portato alla stazione successiva.


STIRATURA: Laminatoio a Passo di Pellegrino

A questo punto il forato viene generalmente lavorato con un laminatoio stiratore denominato a “Passo di Pellegrino” che conferisce al forato la forma di un tubo vero e proprio.

Il laminatoio è composto da due cilindri e da un sistema di alimentazione. All’interno del forato viene alloggiata una spina che viene alimentata continuamente (da destra verso sinistra in figura). I cilindri sono contro rotanti e hanno una geometria particolare.

A B

N



Per un tratto dell’arco di rotazione e due cilindri non sono in contatto con il tubo, il quale avanza verso sinistra (1). In (2) i rulli vengono in contatto con il materiale e stirano il forato facendolo arretrare. Si genera così un tratto di tubo di basso spessore (3, 4 e 5), grazie ad un forte stiramento assiale. In queste fasi il forato e la spina possono retrocedere. In (6) i rulli si disimpegnano dal materiale, che riprende a muoversi verso sinistra.

(1) (2) (3) (4) (5) (6)



Il moto del forato è quindi:– verso sinistra durante la fase di alimentazione

– verso destra durante la fase di stiramento

da cui deriva il nome del laminatoio per analogia con i pellegrini medioevali.

In uscita dal laminatoio a passo di pellegrino il materiale ha già la forma di tubo, anche se lo spessore della parete e il diametro sono ancora piuttosto grandi e le tolleranze geometriche grossolane. Si procede quindi a:

– stirare ulteriormente il tubo per ridurre diametro e spessore

– migliorare la precisione dimensionale


RISCALDAMENTO

Spesso prima di procedere alla stiratura gli spezzoni di tubo vengono tagliati e riscaldati nuovamente (singolarmente o in lotti) per riportarli ad una temperatura cui sia possibile effettuare la formatura a caldo.


STIRATURA: Laminatoio continuo

La stiratura e il raggiungimento delle quote finali vengono ottenuti mediante un laminatoio continuo o mediante un laminatoio riduttore e stiratore.

Il laminatoio continuo è costituito da un gruppo di rulli (calibri), generalmente due o tre, sagomati in maniera tale da ridurre lo spessore del tubo.

Il tubo ha sempre al suo interno un mandrino calibratore, in generale folle.

Dg Dt

p

L

αM


STIRATURA: Laminatoio continuo

Il laminatoio continuo è costituito da più gabbie (anche più di dieci) ognuna costituita da un gruppo di calibri cui compete solo il 5 - 10% di riduzione dello spessore.


STIRATURA: Laminatoio Riduttore e Stiratore

Il laminatoio riduttore e stiratore è analogo al laminatoio continuo visto precedentemente, solo non prevede l’utilizzo del mandrino centrale. E’ quindi sempre presente una riduzione di diametro.

L’azione di stiramento viene ottenuta imponendo un tiro tra le gabbie controllando opportunamente la velocità dei rulli nelle varie gabbie.

Tiro generato dalla gabbia a valle


STIRATURA

In questa fase è anche possibile imprimere al tubo una sezione differente da quella circolare:

A questo punto i tubi vengono raffreddati o lasciati raffreddare.


RADDRIZZATURA

A prodotto freddo è possibile imporre una deformazione plastica permanente per migliorare la rettilineità del tubo, nonché la sua circolarità.

La lavorazione viene generalmente effettuata imponendo una doppia piegatura:


IL CICLO

Riassumendo, il ciclo di produzione di un tubo senza saldatura (seamless) è il seguente:


IL CICLO

…segue...


IL PRODOTTO FINITO


UN IMPIANTO DI PRODUZIONE

Il layout di un tipico impianto di produzione è il seguente:

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