Qu'est-ce qu'un tube conique ? Conception, méthodes de formage et application

Imaginez la flamme flamboyante jaillissant de la queue d'une fusée lors du lancement : l'un des composants clés de cette force est une buse conique fabriquée à partir d'alliages résistants à la chaleur.

Même dans un système d'échappement automobile, la transition en douceur entre des tuyaux de différents diamètres repose souvent sur une caractéristique essentielle : le tube conique.

1.0Introduction aux tuyaux coniques

Un tuyau conique, également connu sous le nom de tuyau conique ou tube conique— est un tube métallique creux présentant des diamètres différents à chaque extrémité, avec une transition axiale linéaire ou non linéaire. Il est largement utilisé pour les transitions de fluides, le supportage structurel et les interfaces de connexion. Comparés aux tubes cylindriques standard, les tubes coniques offrent des avantages notables en matière de dynamique des fluides, de répartition des contraintes structurelles et d'optimisation de l'espace.

Caractéristiques géométriques et facteurs de conception clés

Les tuyaux coniques peuvent être classés en fonction de leur structure en :

• Tubes coniques concentriques:Les lignes centrales aux deux extrémités sont alignées.
• Tubes coniques excentriques:Les lignes centrales aux deux extrémités sont décalées.

Les principaux paramètres de conception comprennent :

• Plage de diamètres : grand diamètre d'extrémité (D) et petit diamètre d'extrémité (d)
• Longueur et angle : Longueur du tube (L) et angle de conicité (A)
• Profil d'épaisseur de paroi : Constant ou variant progressivement
• Forme transversale : Principalement ronde, mais peut également être elliptique ou transitionnelle (par exemple, carrée à ronde)

Considérations de conception : maintenir la concentricité, gérer la répartition de l'épaisseur des parois, éviter la concentration des contraintes et garantir une résistance adéquate des joints (en particulier au niveau des sections soudées).

Spécification de cône

La conicité est une caractéristique de conception essentielle et a un impact direct sur la fonction :

• Conicité linéaire : T = (D₁ – D₂) / L (unité : mm/m)

• Conicité angulaire : définie par le demi-angle du cône θ/2 (voir schéma)

  

• Rapport de conicité : par exemple, 1:10 (un changement de diamètre d'une unité pour 10 unités de longueur)

Variations de forme

2.0Qu'est-ce que le rétrécissement des tubes ?

La conicité des tubes désigne une caractéristique structurelle où le diamètre extérieur ou intérieur d'un tube augmente ou diminue progressivement le long de son axe, formant généralement une transition conique. Ce procédé de mise en forme permet des applications polyvalentes en matière de connexion, de transition, de décoration ou de performances fonctionnelles.

UN tube conique présente une section transversale changeant progressivement, améliorant la dynamique des fluides, améliorant la précision de la connexion et offrant des avantages à la fois structurels et esthétiques.

2.1Processus de base de la réduction progressive

Le principe de base du cône de tube est d'appliquer une force axiale, physique ou mécanique, pour remodeler le matériau du tube le long d'une matrice conique ou d'un outil de formage.

• Dans la plupart des cas, le rétrécissement des tubes est réalisé par formage à froid.
• Les moules, les têtes d'extrusion ou les marteaux rotatifs appliquent une friction et une pression contrôlées pour réduire ou élargir progressivement le diamètre du tube.
• Une fois la section conique formée, le segment restant conserve un diamètre constant, ce qui donne une structure en « goulot d’étranglement ».

2.2Méthodes courantes de rétrécissement des tubes

2.3Exemple de formage typique : emboutissage rotatif

Dans le sertissage rotatif, une ébauche de tube de plus grand diamètre est insérée dans une machine à sertir :

• Le tube est fixé dans un support fixe.
• Les matrices tournent à grande vitesse autour du tube.
• Environ 3 000 frappes radiales par minute réduisent progressivement le diamètre du tube.
• Les opérations de post-formage peuvent inclure le découpage, l'évasement ou le traitement thermique.

2.4Matériaux appropriés

Le rétrécissement des tubes peut être appliqué à une large gamme de métaux, notamment :

• Acier inoxydable
• Acier au carbone
• alliages d'aluminium
• Cuivre / Laiton
• Alliages de titane
• Autres : Alliages de nickel, aciers inoxydables duplex, etc.

Les matériaux utilisés varient selon la méthode. Le choix doit tenir compte de la résistance à la traction, de la ductilité, de l'épaisseur de paroi et d'autres propriétés du matériau.

Résumé

• Le rétrécissement des tubes est une technique critique de formage des extrémités des tubes.
• Compatible avec divers métaux et exigences de production.
• Influence les performances, l’apparence et la précision de l’assemblage du produit.
• La sélection du processus doit être basée sur le matériau, les dimensions, le volume de production et la géométrie conique.

3.0Procédés de fabrication et sélection des équipements pour les tubes coniques

La fabrication de tuyaux coniques ou effilés implique une gamme de méthodes de formage et d'équipements spécialisés.

3.1Machine à sertir les extrémités des tuyaux/tubes

Utilisé pour réduire radialement le diamètre de l'extrémité du tube, créant un profil conique pour l'assemblage ou l'insertion.

Caractéristiques principales :

• Procédé de formage à froid, sans copeaux et à haute efficacité
• Convient aux diamètres petits et moyens dans la production à grand volume
• Des extensions optionnelles d'évasement ou de formage d'extrémité sont disponibles

3.2Machine à effiler les extrémités des tuyaux/tubes

Conçu spécifiquement pour la formation d'extrémités coniques standard ou personnalisées sur les tubes. Applications courantes : raccords coniques, ouvertures évasées et sections de transition.

Principe de fonctionnement :

• Utilise des systèmes de matrices servo-entraînés ou hydrauliques pour appliquer une force radiale et axiale simultanée sur l'extrémité du tube
• Les variations d'angle de conicité, de longueur de conicité et d'épaisseur de paroi peuvent être préprogrammées
• Prend en charge les géométries coniques concentriques et excentriques

Caractéristiques principales :

• Plus adapté que l'emboutissage pour des angles de conicité plus longs
• Capable de traiter des tubes à parois épaisses ou en alliage dur
• Fournit des cônes plus lisses et plus précis, idéaux pour l'étanchéité des interfaces ou la préparation avant soudage

3.3Filage Formage

Idéal pour le formage de tubes coniques de petits et moyens diamètres, notamment ceux à parois épaisses ou de section variable. Généralement réalisé sur des machines de repoussage à commande numérique.

Étapes du processus :

• Préchauffage de la pièce (si nécessaire)
• Montage d'un disque ou d'un tube court sur une broche rotative
• Un rouleau de formage applique une force axialement et radialement, façonnant le matériau le long d'une matrice conique
• Les processus de suivi peuvent inclure la coupe ou le traitement thermique

Avantages :

Haute qualité de formage, structure sans couture, contrôle précis de l'épaisseur et excellente finition de surface

3.4Procédé de laminage et de soudage de plaques

Couramment utilisé pour la production de tuyaux coniques de grand diamètre, en particulier pour les diamètres supérieurs à DN600.

Étapes du processus :

• Découpe de plaques et préparation des bords
• Laminage conique à l'aide de machines à rouler les tôles à 3 ou 4 rouleaux
• Soudure à la molette (interne et externe)
• Traitement thermique et correction dimensionnelle

Caractéristiques:

Dimensionnement flexible et forte adaptabilité ; nécessite une soudure de haute qualité pour garantir l'intégrité

3.5Formage de matrices

Adapté à la production en série de tubes coniques standardisés, ce procédé utilise des matrices coniques sur des presses hydrauliques pour le formage à chaud ou à froid.

3.6Machine de formage de tubes coniques (système de formage conique CNC)

Une machine CNC spécialisée conçue pour la production de tubes coniques avec contrôle programmable.

Caractéristiques principales :

• Réglage programmable de l'angle de conicité et de la trajectoire de poussée
• Compatible avec l'acier au carbone, l'acier inoxydable, les alliages d'aluminium, etc.
• Niveau d'automatisation élevé, prend en charge la production par lots personnalisée

4.0Matériaux courants et exigences de performance pour les tuyaux coniques

5.0Domaines d'application typiques des tuyaux coniques

Industrie du meuble et de la décoration

• Pied de table conique en tube d'aluminium
• Pied de canapé conique en acier inoxydable (qualité 304)
• Tube de meuble conique avec revêtement en poudre (finition noire)
• Tube de pied de chaise creux et conique
• Suspension conique tube décoratif

Industrie automobile et moto

• Tube conique du diffuseur d'échappement
• Tube conique de transition turbo
• Section de transition du tuyau d'échappement conique
• Raccord de tuyau de transition de radiateur conique

Structures industrielles et mécaniques

• Réducteur de tube structurel conique (acier au carbone)
• Tube de procédé conique en acier inoxydable
• Tuyau fileté conique API
• Raccord d'extrémité de tuyau conique hydraulique

Installations municipales et bâtiments

• Tube conique pour lampadaire
• Tube de mât conique
• Tube de support conique pour panneau d'affichage
• Tube de poteau de garde-corps conique pour parcs

Chaudières et systèmes thermiques

• Tube de transition conique pour conduit de fumée de chaudière
• Buse de brûleur conique
• Tube d'admission conique pour échangeurs de chaleur
• Tube de guidage d'air chaud conique

Systèmes pétrochimiques et fluides

• Tube chimique conique 316L résistant à la corrosion
• Tube conique en Hastelloy pour la distribution de la chaleur
• Tuyau de contrôle de débit conique
• Buse de distribution conique pour liquides/gaz

Aérospatiale et structures haut de gamme

• Tube de mât conique en fibre de carbone
• Tube de couplage conique du fuselage
• Tube de buse à jet conique pour avion
• Tube conique pour structures satellites

6.0Référence rapide sur la conception des tubes coniques

6.1Formules rapides pour le calcul de la conicité

Rapport de conicité linéaire
1. Rapport de conicité = (D1 − D2) ÷ L

Angle de conicité (en degrés)
2. θ = arctan((D1 − D2) ÷ 2L)

6.2Exemple

7.0Tendances futures dans le développement des tubes coniques

À mesure que les équipements industriels évoluent vers des applications de plus grande envergure et multifonctionnelles, les tubes de transition non standard sont soumis à des exigences plus strictes. Les principales orientations de développement futur comprennent :

Promotion des tubes coniques en acier à haute résistance et composites

Progrès dans les machines de conicité automatisées et les technologies de formage CNC

Conception modulaire pour faciliter l'intégration dans des systèmes standardisés

Composants essentiels à la transition et à l'optimisation structurelle, la conception et la fabrication des tubes coniques gagnent en maturité. À l'avenir, ils devraient jouer un rôle plus important dans des secteurs tels que l'énergie, la protection de l'environnement et la fabrication d'équipements.

Références

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