تخيل اللهب المشتعل يندلع من ذيل الصاروخ أثناء إطلاقه - أحد المكونات الرئيسية وراء هذه القوة هو فوهة مدببة مصنوعة من سبائك مقاومة للحرارة.
حتى في نظام عادم السيارة، يعتمد الانتقال السلس بين الأنابيب ذات الأقطار المختلفة غالبًا على ميزة أساسية واحدة: الأنبوب المخروطي.
1.0مقدمة عن الأنابيب المخروطية
الخصائص الهندسية وعوامل التصميم الرئيسية
يمكن تصنيف الأنابيب المخروطية حسب هيكلها إلى:
- أنابيب مدببة متحدة المركز:يتم محاذاة الخطوط المركزية في كلا الطرفين.
- أنابيب مدببة غير مركزية:يتم إزاحة الخطوط المركزية في كلا الطرفين.
تتضمن معلمات التصميم الرئيسية ما يلي:
- نطاق القطر: قطر الطرف الكبير (D) وقطر الطرف الصغير (d)
- الطول والزاوية: طول الأنبوب (L) وزاوية التفتق (A)
- سمك الجدار: ثابت أو متغير تدريجيًا
- الشكل المقطعي: مستدير في المقام الأول، ولكن يمكن أن يكون أيضًا بيضاويًا أو انتقاليًا (على سبيل المثال، من المربع إلى الدائري)
اعتبارات التصميم: الحفاظ على التركيز، وإدارة توزيع سمك الجدار، وتجنب تركيز الإجهاد، وضمان قوة المفصل الكافية (خاصة في الأقسام الملحومة).
مواصفات المخروط
يعتبر التدرج ميزة أساسية في التصميم وله تأثير مباشر على الوظيفة:
- المخروط الخطي: T = (D₁ – D₂) / L (الوحدة: مم/م)
-
المخروط الزاوي: محدد بزاوية نصف المخروط θ/2 (انظر الرسم التخطيطي)
مخروط زاوي - نسبة التناقص: على سبيل المثال، 1:10 (تغيير قطر وحدة واحدة لكل 10 وحدات من الطول)
اختلافات الشكل
| يكتب | صفات | التطبيقات النموذجية |
| أنبوب مخروطي دائري | الأكثر شيوعًا؛ يدعم التدفق المتماثل | توصيلات الأنابيب، فوهات الصواريخ |
| أنبوب مدبب مستطيل الشكل | سهلة التكامل؛ كفاءة عالية في استخدام المساحة | قنوات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وعوارض الإضاءة |
| أنبوب مدبب ذو شكل مخصص | مقاطع عرضية معقدة للاستخدام المتخصص | المكونات الديناميكية الهوائية |
2.0ما هو تقليص الأنبوب؟
يشير تَخَفُّقُ الأنبوب إلى سمة هيكلية يتزايد فيها القطر الخارجي أو الداخلي للأنبوب تدريجيًا أو يتناقص على طول اتجاهه المحوري، مُشكِّلًا عادةً شكلًا مخروطيًا. تُتيح عملية التشكيل هذه تطبيقات متعددة في التوصيلات، والانتقالات، والديكور، والأداء الوظيفي.
أ أنبوب مدبب يتميز بمقطع عرضي متغير تدريجيًا، مما يحسن ديناميكيات السوائل، ويعزز دقة الاتصال، ويوفر مزايا هيكلية وجمالية.
2.1العملية الأساسية للتدرج
المبدأ الأساسي لعملية تشكيل الأنبوب هو تطبيق القوة المحورية - فيزيائيًا أو ميكانيكيًا - لإعادة تشكيل مادة الأنبوب على طول قالب مدبب أو أداة تشكيل.
- في معظم الحالات، يتم إجراء عملية تقليص الأنبوب كعملية تشكيل بارد.
- تطبق القوالب أو رؤوس البثق أو المطارق الدوارة احتكاكًا وضغطًا متحكمًا بهما لتقليل أو توسيع قطر الأنبوب تدريجيًا.
- بمجرد تشكيل القسم المدبب، يحافظ الجزء المتبقي على قطر ثابت، مما يؤدي إلى تكوين هيكل "عنق الزجاجة".
2.2طرق تضييق الأنبوب الشائعة
| طريقة | مبدأ العمل | الميزات الرئيسية |
| التشكيل الدوراني | طرق شعاعية عالية السرعة لطرف الأنبوب عبر القوالب | التشكيل البارد، مناسب للخطوط الطويلة، واللمسة النهائية الناعمة، والدقة العالية |
| رسم مدبب | سحب الأنبوب من خلال قالب مخروطي لتقليل القطر تدريجيًا | مثالي للزوايا المخروطية الصغيرة والأنابيب ذات الجدران الرقيقة والدقة العالية |
| تشكيل اللفائف | تغيير القطر التدريجي من خلال مجموعات الأسطوانة المتعددة | إنتاج مستمر للأنابيب المتوسطة إلى الطويلة، وكفاءة عالية |
| التشكيل الهيدروليكي | يفرض الضغط الهيدروليكي الداخلي على الأنبوب دفعًا ضد القوالب المخروطية | تشكيل موحد، تحكم ممتاز في الأبعاد، للخطوط العريضة المعقدة |
| الضغط التدريجي | الضغط المحوري المباشر باستخدام قالب مخروطي | إعداد بسيط، مناسب للأطوال القصيرة والإنتاج بكميات صغيرة |
| تشكيل نهايات الأنابيب باستخدام الحاسب الآلي | دفع أو ضغط يتم التحكم فيه بواسطة محرك سيرفو بدقة قابلة للبرمجة | أتمتة عالية، نتائج متسقة، مثالية للإنتاج الضخم |
2.3مثال نموذجي للتشكيل: التشكيل الدوراني
في عملية التشكيل الدوراني، يتم إدخال أنبوب فارغ بقطر أكبر في آلة التشكيل بالطرق:
- يتم تثبيت الأنبوب في تركيب ثابت.
- تدور القوالب بسرعة عالية حول الأنبوب.
- حوالي 3000 ضربة شعاعية في الدقيقة تقلل تدريجيا قطر الأنبوب.
- قد تشمل عمليات ما بعد التشكيل التشذيب أو التوسيع أو المعالجة الحرارية.
2.4المواد المناسبة
يمكن تطبيق تقليص الأنابيب على مجموعة واسعة من المعادن، بما في ذلك:
- الفولاذ المقاوم للصدأ
- الفولاذ الكربوني
- سبائك الألومنيوم
- النحاس / النحاس الأصفر
- سبائك التيتانيوم
- أخرى: سبائك النيكل، الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، وما إلى ذلك.
تختلف المواد في ملاءمتها لكل طريقة. ينبغي مراعاة قوة الشد، والمرونة، وسمك الجدار، وخصائص المادة الأخرى عند اختيارها.
ملخص
- تعد عملية تقليص الأنبوب إحدى تقنيات تشكيل نهاية الأنبوب المهمة.
- متوافق مع مختلف المعادن ومتطلبات الإنتاج.
- يؤثر على أداء المنتج ومظهره ودقة التجميع.
- يجب أن يعتمد اختيار العملية على المواد والأبعاد وحجم الإنتاج وهندسة المخروط.
3.0عمليات التصنيع واختيار المعدات للأنابيب المخروطية
تتضمن عملية تصنيع الأنابيب المخروطية أو المخروطية مجموعة من طرق التشكيل والمعدات المتخصصة.
3.1آلة تشكيل نهايات الأنابيب/الأنابيب
يتم استخدامه لتقليل قطر نهاية الأنبوب شعاعيًا، مما يؤدي إلى إنشاء شكل مخروطي للتوصيل أو الإدخال.
المميزات الرئيسية:
- عملية التشكيل البارد بدون رقائق ذات كفاءة عالية
- مناسب للأقطار الصغيرة والمتوسطة في الإنتاج بكميات كبيرة
- تتوفر ملحقات اختيارية للتوهج أو التشكيل النهائي
3.2آلة تضييق نهايات الأنابيب/الأنابيب
مُصمم خصيصًا لتشكيل نهايات مدببة قياسية أو مُخصصة للأنابيب. تشمل التطبيقات الشائعة أطراف التوصيل المدببة، والفتحات المتسعة، وأقسام الانتقال.
مبدأ العمل:
- يستخدم أنظمة القوالب الهيدروليكية أو ذات المحرك المؤازر لتطبيق قوة شعاعية ومحورية متزامنة على نهاية الأنبوب
- يمكن برمجة زاوية التدرج وطول التدرج واختلافات سمك الجدار مسبقًا
- يدعم كل من الهندسة المخروطية المركزية واللامركزية
المميزات الرئيسية:
- أكثر ملاءمة من التشكيل بالطرق للحصول على زوايا مدببة أطول
- قادرة على معالجة الأنابيب ذات الجدران السميكة أو المصنوعة من سبائك صلبة
- يوفر مخاريط أكثر سلاسة ودقة، مثالية لإغلاق الواجهات أو التحضير المسبق للحام
3.3تشكيل الغزل
مثالية لتشكيل أنابيب مدببة بأقطار صغيرة إلى متوسطة، وخاصةً تلك ذات الجدران السميكة أو المتغيرة. تُنفَّذ عادةً باستخدام آلات غزل CNC.
خطوات العملية:
- تسخين الفراغ مسبقًا (إذا لزم الأمر)
- تركيب قرص أو أنبوب قصير على محور دوار
- تطبق أسطوانة التشكيل القوة محوريًا وشعاعيًا، مما يؤدي إلى تشكيل المادة على طول قالب مدبب
- قد تشمل عمليات المتابعة التشذيب أو المعالجة الحرارية
المميزات:
جودة تشكيل عالية، وهيكل سلس، وتحكم دقيق في السُمك، وتشطيب سطحي ممتاز
3.4عملية دحرجة الصفائح + اللحام
تُستخدم عادةً لإنتاج الأنابيب المخروطية ذات القطر الكبير، وخاصةً للأقطار التي تزيد عن DN600.
خطوات العملية:
- قطع الصفائح وتجهيز الحافة
- الدرفلة المخروطية باستخدام آلات الدرفلة ذات الثلاث أو الأربع أسطوانات
- اللحام بالدرزات (الداخلية والخارجية)
- المعالجة الحرارية وتصحيح الأبعاد
صفات:
مرونة في المقاسات وقابلية قوية للتكيف؛ تتطلب لحامًا عالي الجودة لضمان السلامة
3.5تشكيل القوالب
مناسبة لإنتاج كميات كبيرة من الأنابيب المخروطية القياسية. تستخدم هذه العملية قوالب مخروطية على مكابس هيدروليكية للتشكيل الساخن أو البارد.
3.6آلة تشكيل الأنابيب المخروطية (نظام CNC)
آلة CNC متخصصة مصممة لإنتاج الأنابيب المخروطية ذات التحكم القابل للبرمجة.
المميزات الرئيسية:
- تعديل زاوية المخروط القابلة للبرمجة ومسار الدفع
- متوافق مع الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الألومنيوم والمزيد
- مستوى أتمتة عالي، يدعم إنتاج الدفعات المخصصة
4.0المواد الشائعة ومتطلبات الأداء للأنابيب المخروطية
| نوع المادة | منتجات الأنابيب المخروطية النموذجية | قطاعات التطبيق / حالات الاستخدام | متطلبات الأداء الرئيسية |
| الفولاذ الكربوني | - أنبوب هيكلي مدبب من الفولاذ الكربوني (على سبيل المثال Q235) - أنبوب توصيل مدبب بدون درزات (A106) – أنبوب مخفض مدبب API 5L |
هياكل البناء، ونقل النفط والغاز، والأنظمة الهيدروليكية | قوة عالية، فعالة من حيث التكلفة، وقابلية لحام جيدة، ومقاومة للضغط والتآكل |
| الفولاذ المقاوم للصدأ | - أنبوب زخرفي مدبب 304 - أنبوب توصيل صحي مدبب 316L – أنبوب طبي مدبب من الفولاذ المقاوم للصدأ |
الأغذية والمشروبات والمواد الكيميائية والأدوية والطب والتصميم الداخلي | مقاومة ممتازة للتآكل، صحية، سطح ذو لمسة نهائية مرآة متوفر |
| سبائك الألومنيوم | - عمود إضاءة مخروطي من الألومنيوم – أرجل أثاث من الألومنيوم - أنبوب إطار دراجة مدبب |
الأثاث ومعدات النقل والهياكل الخارجية والهندسة المعمارية | خفيف الوزن، مقاوم للتآكل، مظهر جذاب، سهل التشكيل |
| سبائك التيتانيوم | - قسطرة مدببة من التيتانيوم - أنبوب موصل مخروطي الشكل للطيران والفضاء |
الغرسات الطبية، الفضاء، الدفاع | قوة عالية، مقاومة ممتازة للتآكل، التوافق الحيوي، مقاومة للحرارة |
| سبائك النيكل | - أنبوب هاستيلوي المدبب - أنبوب Inconel المدبب المقاوم للتآكل |
صناعة البتروكيماويات والغازات عالية الحرارة والبيئات البحرية | استقرار درجات الحرارة العالية، ومقاومة الأكسدة والتآكل بالكلوريد، ومناسبة للبيئات القاسية |
| النحاس / النحاس الأصفر | - وصلة مدببة من النحاس - فوهة مدببة من النحاس |
السباكة ونقل الغاز والتجهيزات الزخرفية | موصلية حرارية ممتازة، قابلية تشكيل عالية، جودة سطح زخرفية |
| المركبات | - أنبوب مدبب من ألياف الكربون - أنبوب مدبب من الألياف الزجاجية |
معدات رياضية عالية الجودة، وصناعات الفضاء، وهياكل الهوائيات | خفيف الوزن للغاية، وعالي القوة، ومقاوم للتعب، ولكن تكلفة المواد أعلى |
5.0مجالات التطبيق النموذجية للأنابيب المخروطية
صناعة الأثاث والديكور
- أنبوب ساق طاولة من الألومنيوم المدبب
- أنبوب ساق الأريكة المدبب المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ (درجة 304)
- أنبوب أثاث مدبب مطلي بالمسحوق (لون أسود)
- أنبوب ساق الكرسي المخروط المجوف
- أنبوب إضاءة معلق مدبب مزخرف
صناعة السيارات والدراجات النارية
- أنبوب مدبب لناشر العادم
- أنبوب مخروطي انتقالي توربو
- قسم انتقال أنبوب كاتم الصوت المدبب
- تركيب خرطوم انتقال المبرد المخروطي
الهياكل الصناعية والميكانيكية
- مخفض الأنابيب الهيكلي المخروط (الفولاذ الكربوني)
- أنبوب عملية مدبب من الفولاذ المقاوم للصدأ
- أنبوب API المدبب الملولب
- وصلة نهاية الأنبوب المخروطية الهيدروليكية
المرافق البلدية والبناء
- أنبوب عمود إنارة الشوارع المدبب
- أنبوب سارية العلم المدبب
- أنبوب دعم لوحة الإعلانات المخروطية
- أنبوب عمود درابزين مدبب للحدائق
الغلايات والأنظمة الحرارية
- أنبوب انتقالي مخروطي لمدخنة الغلاية
- فوهة الموقد المخروطية
- أنبوب مدخل مدبب للمبادلات الحرارية
- أنبوب توجيه الهواء الساخن المخروطي
أنظمة البتروكيماويات والسوائل
- أنبوب كيميائي مدبب مقاوم للتآكل 316L
- أنبوب هاستيلوي المدبب لتوزيع الحرارة
- أنبوب التحكم في التدفق المدبب
- فوهة موزع مدببة للسوائل/الغازات
الفضاء والهياكل المتطورة
- أنبوب الصاري المدبب من ألياف الكربون
- أنبوب توصيل جسم الطائرة المدبب
- أنبوب فوهة نفاثة مدبب للطائرات
- أنبوب الجمالون المدبب للهياكل الساتلية
6.0مرجع سريع لتصميم الأنبوب المدبب
| فئة | غرض | الوحدة / الوصف |
| المعلمات الهندسية | القطر الخارجي الكبير للنهاية (D1) | مم / بوصة |
| القطر الخارجي الصغير (D2) | مم / بوصة | |
| طول الأنبوب (لتر) | مم / بوصة | |
| نسبة التناقص | (D1 − D2) ÷ L | |
| زاوية المخروط (θ) | θ = الظل القوسي((D1 − D2) ÷ 2L) | |
| سمك الجدار (طن) | مم (ثابت أو متغير) | |
| طرق التصنيع | طرق | مناسب للخراطيم الطويلة ذات الزوايا الصغيرة؛ التشكيل البارد |
| ختم / تشكيل الصحافة | مثالية للأنابيب القصيرة أو الإنتاج بكميات كبيرة | |
| رسم مخروطي | دقة عالية؛ مناسبة للأنابيب ذات الجدار الرقيق والقطر الصغير | |
| التشكيل الهيدروليكي | تشكيل موحد؛ مناسب للأشكال الهندسية المعقدة | |
| تشكيل النهاية باستخدام الحاسب الآلي | يتم التحكم فيه بدقة؛ مناسب لإنتاج دفعات متسقة | |
| خيارات المواد | الفولاذ المقاوم للصدأ (SUS 304/316) | مقاوم للتآكل؛ مناسب للاستخدامات الطبية والغذائية والبنيوية |
| سبائك الألومنيوم (6061/5052) | خفيف الوزن؛ مناسب للأثاث والنقل | |
| الفولاذ الكربوني (Q235، 1018) | فعالة من حيث التكلفة؛ مثالية للتطبيقات الهيكلية | |
| النحاس / النحاس الأصفر | ليونة ممتازة؛ للمكونات الزخرفية أو الموصلة | |
| اعتبارات التصميم | سمك الجدار (ثابت t) | يؤثر على القوة والقدرة على التصنيع |
| معالجة السطح | التلميع والطلاء والطلاء والتشطيبات المضادة للتآكل | |
| تشكيل نهاية الأنبوب | التوهج والتخفيض والتوسع حسب الحاجة | |
| التطبيقات النموذجية | — | عوادم السيارات، أرجل الأثاث، الأنابيب الطبية، هياكل الدراجات، دعامات الإضاءة |
6.1صيغ سريعة لحساب التناقص التدريجي
نسبة التناقص الخطي
1. نسبة التناقص = (D1 − D2) ÷ L
زاوية المخروط (بالدرجات)
2. θ = الظل القوسي((D1 − D2) ÷ 2L)
6.2مثال
| غرض | قيمة |
| D1 (الطرف الكبير) | 60 ملم |
| D2 (الطرف الصغير) | 30 ملم |
| ل (الطول) | 300 ملم |
| نسبة التناقص | (60 − 30) ÷ 300 = 0.1 |
| زاوية المخروط θ | الظل الزاوي (30 ÷ 600) ≈ 2.86 درجة |
7.0الاتجاهات المستقبلية في تطوير الأنابيب المخروطية
مع استمرار تطور المعدات الصناعية نحو نطاق أوسع وتعدد وظائفها، تُفرض متطلبات أعلى على أنابيب الانتقال غير القياسية. وتشمل اتجاهات التطوير المستقبلية الرئيسية ما يلي:
الترويج لأنابيب الفولاذ عالية القوة والمركبة المخروطية
التطورات في آلات التشكيل المدببة الآلية وتقنيات التشكيل باستخدام الحاسب الآلي
تصميم معياري لتسهيل التكامل في الأنظمة القياسية
باعتبارها عنصرًا أساسيًا في التحول والتحسين الهيكلي، يشهد تصميم وتصنيع الأنابيب المخروطية تطورًا متزايدًا. ومن المتوقع أن تلعب دورًا أكبر في قطاعات مثل الطاقة وحماية البيئة وتصنيع المعدات مستقبلًا.
مراجع
https://academic.oup.com/treephys/article-abstract/22/13/891/1663763
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/03052150310001639281
https://pdfs.semanticscholar.org/c6c4/2705d501918cbdb488e290fe79100c3ef3c9.pdf
