Cos'è un tubo conico? Progettazione, metodi di formatura e applicazione

Immaginate la fiamma ardente che erutta dalla coda di un razzo durante il lancio: uno dei componenti chiave di questa forza è un ugello conico realizzato in leghe resistenti al calore.

Anche in un sistema di scarico per automobili, la transizione fluida tra tubi di diametro diverso spesso si basa su una caratteristica essenziale: il tubo conico.

1.0Introduzione ai tubi conici

Un tubo conico, noto anche come tubo conico O tubo conico—è un tubo metallico cavo con diametri diversi a ciascuna estremità, con una transizione assiale lineare o non lineare. È ampiamente utilizzato nelle transizioni fluidiche, nel supporto strutturale e nelle interfacce di collegamento. Rispetto ai tubi cilindrici standard, i tubi conici offrono notevoli vantaggi in termini di fluidodinamica, distribuzione delle sollecitazioni strutturali e ottimizzazione degli spazi.

Caratteristiche geometriche e fattori chiave di progettazione

I tubi conici possono essere classificati in base alla struttura in:

• Tubi conici concentrici: Le linee centrali ad entrambe le estremità sono allineate.
• Tubi conici eccentrici: Le linee centrali ad entrambe le estremità sono sfalsate.

I parametri di progettazione chiave includono:

• Gamma di diametri: diametro dell'estremità grande (D) e diametro dell'estremità piccola (d)
• Lunghezza e angolo: lunghezza del tubo (L) e angolo di conicità (A)
• Profilo dello spessore della parete: costante o gradualmente variabile
• Forma della sezione trasversale: principalmente rotonda, ma può anche essere ellittica o di transizione (ad esempio, da quadrata a rotonda)

Considerazioni progettuali: mantenimento della concentricità, gestione della distribuzione dello spessore delle pareti, prevenzione della concentrazione di sollecitazioni e garanzia di un'adeguata resistenza del giunto (in particolare nelle sezioni saldate).

Specifica della conicità

La conicità è una caratteristica fondamentale del design e ha un impatto diretto sulla funzionalità:

• Conicità lineare: T = (D₁ – D₂) / L (unità: mm/m)

• Conicità angolare: definita dall'angolo del semicono θ/2 (vedi diagramma)

  

• Rapporto conicità: ad esempio 1:10 (una variazione di diametro di 1 unità per 10 unità di lunghezza)

Variazioni di forma

2.0Cos'è la rastremazione dei tubi?

La rastremazione dei tubi si riferisce a una caratteristica strutturale in cui il diametro esterno o interno di un tubo aumenta o diminuisce gradualmente lungo la sua direzione assiale, formando tipicamente una transizione conica. Questo processo di formatura consente applicazioni versatili in termini di connessione, transizione, decorazione o prestazioni funzionali.

UN tubo conico presenta una sezione trasversale che cambia gradualmente, migliorando la dinamica dei fluidi, aumentando la precisione della connessione e offrendo vantaggi sia strutturali che estetici.

2.1Processo di base della riduzione

Il principio fondamentale della rastremazione dei tubi è quello di applicare una forza assiale, fisica o meccanica, per rimodellare il materiale del tubo lungo una matrice conica o uno strumento di formatura.

• Nella maggior parte dei casi la rastremazione dei tubi viene eseguita mediante un processo di formatura a freddo.
• Stampi, teste di estrusione o martelli rotanti applicano attrito e pressione controllati per ridurre o espandere progressivamente il diametro del tubo.
• Una volta formata la sezione rastremata, il segmento rimanente mantiene un diametro costante, dando origine a una struttura a "collo di bottiglia".

2.2Metodi comuni di rastremazione dei tubi

2.3Esempio tipico di formatura: stampaggio rotativo

Nella pressatura rotativa, un pezzo grezzo di tubo con un diametro maggiore viene inserito in una macchina pressatrice:

• Il tubo è fissato a un supporto fisso.
• Gli stampi ruotano ad alta velocità attorno al tubo.
• Circa 3000 colpi radiali al minuto riducono gradualmente il diametro del tubo.
• Le operazioni di post-formatura possono includere la rifilatura, la svasatura o il trattamento termico.

2.4Materiali adatti

La rastremazione dei tubi può essere applicata a un'ampia gamma di metalli, tra cui:

• Acciaio inossidabile
• acciaio al carbonio
• Leghe di alluminio
• Rame / Ottone
• Leghe di titanio
• Altri: leghe di nichel, acciai inossidabili duplex, ecc.

Materiali diversi hanno diverse caratteristiche di idoneità per ciascun metodo. La selezione dovrebbe tenere conto della resistenza alla trazione, della duttilità, dello spessore delle pareti e di altre proprietà del materiale.

Riepilogo

• La rastremazione dei tubi è una tecnica fondamentale per la formatura delle estremità dei tubi.
• Compatibile con vari metalli e requisiti di produzione.
• Influisce sulle prestazioni del prodotto, sull'aspetto e sulla precisione dell'assemblaggio.
• La selezione del processo dovrebbe basarsi sul materiale, sulle dimensioni, sul volume di produzione e sulla geometria della conicità.

3.0Processi di produzione e selezione delle attrezzature per tubi conici

La produzione di tubi rastremati o conici richiede una serie di metodi di formatura e attrezzature specializzate.

3.1Macchina per la bordatura delle estremità di tubi/condotte

Utilizzato per ridurre radialmente il diametro dell'estremità del tubo, creando un profilo conico per la giunzione o l'inserimento.

Caratteristiche principali:

• Formatura a freddo, processo senza trucioli ad alta efficienza
• Adatto per diametri piccoli e medi in produzioni ad alto volume
• Sono disponibili estensioni opzionali per svasatura o formatura delle estremità

3.2Macchina per rastremare le estremità dei tubi

Progettato specificamente per la realizzazione di estremità coniche standard o personalizzate su tubi. Le applicazioni più comuni includono conicità di collegamento, aperture svasate e sezioni di transizione.

Principio di funzionamento:

• Utilizza sistemi di stampi servoassistiti o idraulici per applicare contemporaneamente forza radiale e assiale sull'estremità del tubo
• È possibile preprogrammare l'angolo di conicità, la lunghezza di conicità e le variazioni dello spessore della parete
• Supporta sia geometrie coniche concentriche che eccentriche

Caratteristiche principali:

• Più adatto della pressatura per angoli di conicità più lunghi
• In grado di elaborare tubi in lega dura o con pareti spesse
• Fornisce conicità più fluide e precise, ideali per la sigillatura di interfacce o la preparazione pre-saldatura

3.3Filatura Formatura

Ideale per la formatura di tubi conici di diametro da piccolo a medio, in particolare quelli con sezioni di parete spesse o variabili. Tipicamente eseguita con torni CNC.

Fasi del processo:

• Preriscaldamento del pezzo grezzo (se necessario)
• Montaggio di un disco o di un tubo corto su un mandrino rotante
• Un rullo di formatura applica la forza assialmente e radialmente, modellando il materiale lungo una matrice conica
• I processi successivi possono includere la rifilatura o il trattamento termico

Vantaggi:

Elevata qualità di formatura, struttura senza soluzione di continuità, controllo accurato dello spessore ed eccellente finitura superficiale

3.4Processo di laminazione e saldatura delle piastre

Comunemente utilizzato per la produzione di tubi conici di grande diametro, in particolare per diametri superiori a DN600.

Fasi del processo:

• Taglio della piastra e preparazione del bordo
• Laminazione conica mediante macchine laminate a piastre a 3 o 4 rulli
• Saldatura a filo continuo (interna ed esterna)
• Trattamento termico e correzione dimensionale

Caratteristiche:

Dimensionamento flessibile e forte adattabilità; richiede saldature di alta qualità per garantire l'integrità

3.5Formatura a stampo

Adatto alla produzione in serie di tubi conici standardizzati. Il processo utilizza stampi conici su presse idrauliche per la formatura a caldo o a freddo.

3.6Macchina per la formatura di tubi conici (sistema di rastremazione CNC)

Macchina CNC specializzata, progettata per la produzione di tubi conici con controllo programmabile.

Caratteristiche principali:

• Regolazione programmabile dell'angolo di conicità e del percorso di spinta
• Compatibile con acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, leghe di alluminio e altro ancora
• Elevato livello di automazione, supporta la produzione di lotti personalizzati

4.0Materiali comuni e requisiti prestazionali per tubi conici

5.0Aree di applicazione tipiche per tubi conici

Industria del mobile e dell'arredamento

• Tubo per gambe da tavolo in alluminio conico
• Tubo conico per gambe del divano in acciaio inossidabile (grado 304)
• Tubo per mobili conico verniciato a polvere (finitura nera)
• Tubo per gambe di sedia conico cavo
• Lampada a sospensione conica tubolare decorativa

Industria automobilistica e motociclistica

• Diffusore di scarico tubo conico
• Tubo conico di transizione turbo
• Sezione di transizione del tubo di scarico conico
• Raccordo conico per tubo di transizione del radiatore

Strutture industriali e meccaniche

• Riduzione conica per tubi strutturali (acciaio al carbonio)
• Tubo di processo conico in acciaio inossidabile
• Tubo filettato API conico
• Raccordo terminale conico idraulico

Strutture comunali ed edilizie

• Tubo conico per palo della luce stradale
• Tubo conico per asta portabandiera
• Tubo di supporto per cartelloni pubblicitari conico
• Tubo per ringhiera conico per parchi

Caldaie e sistemi termici

• Tubo di transizione conico per canna fumaria caldaia
• Ugello del bruciatore conico
• Tubo di ingresso conico per scambiatori di calore
• Tubo guida aria calda conico

Sistemi petrolchimici e fluidi

• Tubo chimico resistente alla corrosione conico 316L
• Tubo conico in Hastelloy per la distribuzione del calore
• Tubo di controllo del flusso conico
• Ugello distributore conico per liquidi/gas

Strutture aerospaziali e di alta gamma

• Tubo dell'albero rastremato in fibra di carbonio
• Tubo di accoppiamento conico della fusoliera
• Tubo ugello a getto conico per aeromobili
• Tubo reticolare conico per strutture satellitari

6.0Riferimento rapido alla progettazione di tubi conici

6.1Formule rapide per il calcolo della conicità

Rapporto di conicità lineare
1. Rapporto di conicità = (D1 − D2) ÷ L

Angolo di conicità (in gradi)
2. θ = arctan((D1 − D2) ÷ 2L)

6.2Esempio

7.0Tendenze future nello sviluppo dei tubi conici

Con la continua evoluzione delle apparecchiature industriali verso dimensioni maggiori e multifunzionalità, vengono imposti requisiti più elevati ai tubi di transizione non standard. Le principali direzioni di sviluppo future includono:

Promozione di tubi conici in acciaio ad alta resistenza e compositi

Progressi nelle macchine coniche automatizzate e nelle tecnologie di formatura CNC

Design modulare per facilitare l'integrazione in sistemi standardizzati

In quanto componente fondamentale per la transizione e l'ottimizzazione strutturale, la progettazione e la produzione di tubi conici stanno diventando sempre più mature. In futuro, si prevede che svolgeranno un ruolo sempre più importante in settori come l'energia, la protezione ambientale e la produzione di apparecchiature.

Riferimenti

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