ท่อเรียวคืออะไร การออกแบบ วิธีการขึ้นรูป และการใช้งาน

ลองจินตนาการถึงเปลวไฟที่พวยพุ่งออกมาจากหางจรวดในระหว่างการปล่อยจรวด ซึ่งหนึ่งในส่วนประกอบหลักเบื้องหลังแรงนี้คือหัวฉีดทรงเรียวที่ทำจากโลหะผสมที่ทนความร้อน

แม้แต่ในระบบไอเสียของรถยนต์ การเปลี่ยนผ่านที่ราบรื่นระหว่างท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันมักต้องอาศัยคุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่ง นั่นก็คือ ท่อเรียว

1.0บทนำเกี่ยวกับท่อเรียว

ท่อเรียว—เรียกอีกอย่างว่า ท่อรูปกรวย หรือ ท่อกรวย—เป็นท่อโลหะกลวงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันที่ปลายแต่ละด้าน โดยอาจมีการเปลี่ยนผ่านแนวแกนแบบเชิงเส้นหรือไม่เชิงเส้นก็ได้ ท่อชนิดนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเปลี่ยนผ่านของไหล การรองรับโครงสร้าง และส่วนต่อประสานการเชื่อมต่อ เมื่อเปรียบเทียบกับท่อทรงกระบอกมาตรฐานแล้ว ท่อเรียวมีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในด้านพลศาสตร์ของไหล การกระจายแรงโครงสร้าง และการเพิ่มประสิทธิภาพของพื้นที่

ลักษณะทางเรขาคณิตและปัจจัยการออกแบบหลัก

ท่อเรียวสามารถแบ่งประเภทตามโครงสร้างได้ดังนี้:

• ท่อทรงเรียวศูนย์กลาง:เส้นกึ่งกลางที่ปลายทั้งสองข้างได้รับการจัดตำแหน่งให้ตรงกัน
• ท่อทรงเรียวนอกรีต:เส้นกึ่งกลางที่ปลายทั้งสองข้างมีการชดเชยกัน

พารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญ ได้แก่:

• ช่วงเส้นผ่านศูนย์กลาง: เส้นผ่านศูนย์กลางปลายใหญ่ (D) และเส้นผ่านศูนย์กลางปลายเล็ก (d)
• ความยาวและมุม: ความยาวท่อ (L) และมุมเรียว (A)
• โปรไฟล์ความหนาของผนัง: คงที่หรือเปลี่ยนแปลงค่อยเป็นค่อยไป
• รูปร่างหน้าตัด: ส่วนใหญ่เป็นทรงกลม แต่บางครั้งก็อาจเป็นรูปวงรีหรือรูปทรงเปลี่ยนผ่าน (เช่น จากสี่เหลี่ยมเป็นทรงกลม)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ: รักษาความเป็นศูนย์กลางศูนย์กลาง การจัดการการกระจายความหนาของผนัง การหลีกเลี่ยงการรวมตัวของความเค้น และการรับประกันความแข็งแรงของข้อต่อที่เพียงพอ (โดยเฉพาะที่ส่วนที่เชื่อม)

ข้อมูลจำเพาะเทเปอร์

ความเรียวแหลมเป็นคุณลักษณะการออกแบบหลักและส่งผลโดยตรงต่อฟังก์ชัน:

• เรียวเชิงเส้น: T = (D₁ – D₂) / L (หน่วย: มม./ม.)

• เรียวเชิงมุม: กำหนดโดยมุมกรวยครึ่งหนึ่ง θ/2 (ดูแผนภาพ)

  

• อัตราส่วนเทเปอร์: เช่น 1:10 (การเปลี่ยนแปลงเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 หน่วยต่อความยาว 10 หน่วย)

การเปลี่ยนแปลงรูปร่าง

2.0การเรียวท่อคืออะไร?

การทำให้เรียวของท่อหมายถึงลักษณะโครงสร้างที่เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกหรือภายในของท่อค่อยๆ เพิ่มขึ้นหรือลดลงตามทิศทางแกน โดยทั่วไปจะเกิดการเปลี่ยนผ่านแบบกรวย กระบวนการขึ้นรูปนี้ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างหลากหลายในการเชื่อมต่อ การเปลี่ยนผ่าน การตกแต่ง หรือการใช้งาน

เอ ท่อรูปเรียว มีลักษณะหน้าตัดที่เปลี่ยนแปลงค่อยเป็นค่อยไป ช่วยปรับปรุงพลศาสตร์ของไหล เพิ่มความแม่นยำในการเชื่อมต่อ และให้ข้อดีทั้งเชิงโครงสร้างและสุนทรียศาสตร์

2.1ขั้นตอนพื้นฐานในการลดขนาด

หลักการสำคัญของการทำให้ท่อเรียวคือการใช้แรงตามแนวแกน—ทางกายภาพหรือทางกล—เพื่อเปลี่ยนรูปร่างวัสดุของท่อตามแม่พิมพ์เรียวหรือเครื่องมือขึ้นรูป

• ในกรณีส่วนใหญ่ การลดขนาดท่อจะดำเนินการโดยกระบวนการขึ้นรูปเย็น
• แม่พิมพ์ หัวอัดหรือค้อนโรตารี่ใช้แรงเสียดทานและแรงดันที่ควบคุมได้เพื่อลดหรือขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของท่ออย่างต่อเนื่อง
• เมื่อสร้างส่วนที่เรียวแล้ว ส่วนที่เหลือจะรักษาเส้นผ่านศูนย์กลางคงที่ ส่งผลให้โครงสร้างเป็น “คอขวด”

2.2วิธีการลดขนาดท่อทั่วไป

2.3ตัวอย่างการขึ้นรูปทั่วไป: การรีดแบบหมุน

ในการรีดแบบหมุน ท่อเปล่าที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าจะถูกใส่เข้าไปในเครื่องรีด:

• ท่อจะถูกยึดเข้ากับอุปกรณ์ที่ติดตั้งอย่างแน่นหนา
• แม่พิมพ์หมุนด้วยความเร็วสูงรอบท่อ
• การกระแทกในแนวรัศมีประมาณ 3,000 ครั้งต่อนาที จะทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป
• การดำเนินการหลังการขึ้นรูปอาจรวมถึงการตัดแต่ง การบาน หรือการอบด้วยความร้อน

2.4วัสดุที่เหมาะสม

การลดขนาดท่อสามารถใช้ได้กับโลหะหลายชนิด รวมถึง:

• สแตนเลส
• เหล็กกล้าคาร์บอน
• โลหะผสมอลูมิเนียม
• ทองแดง / ทองเหลือง
• โลหะผสมไททาเนียม
• อื่นๆ: โลหะผสมนิกเกิล, สแตนเลสดูเพล็กซ์ ฯลฯ

วัสดุต่างๆ จะมีความเหมาะสมแตกต่างกันไปสำหรับแต่ละวิธี การเลือกควรพิจารณาถึงความแข็งแรง ความเหนียว ความหนาของผนัง และคุณสมบัติอื่นๆ ของวัสดุ

สรุป

• การทำให้ท่อเรียวลงเป็นเทคนิคการขึ้นรูปปลายท่อที่สำคัญ
• เข้ากันได้กับโลหะต่างๆ และความต้องการการผลิต
• มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ รูปลักษณ์ และความแม่นยำในการประกอบ
• การเลือกกระบวนการควรขึ้นอยู่กับวัสดุ ขนาด ปริมาณการผลิต และรูปทรงเรียว

3.0กระบวนการผลิตและการเลือกอุปกรณ์สำหรับท่อเรียว

การผลิตท่อเรียวหรือท่อกรวยเกี่ยวข้องกับวิธีการขึ้นรูปหลายประเภทและอุปกรณ์เฉพาะทาง

3.1เครื่องรีดปลายท่อ

ใช้เพื่อลดเส้นผ่านศูนย์กลางปลายท่อในแนวรัศมี โดยสร้างโปรไฟล์เรียวสำหรับการเชื่อมต่อหรือการสอด

คุณสมบัติหลัก:

• การขึ้นรูปเย็น กระบวนการไร้เศษที่มีประสิทธิภาพสูง
• เหมาะสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กถึงขนาดกลางในการผลิตปริมาณสูง
• มีตัวเลือกการต่อขยายแบบบานออกหรือแบบขึ้นรูปปลายให้เลือก

3.2เครื่องดัดปลายท่อ

ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการขึ้นรูปปลายเรียวมาตรฐานหรือแบบกำหนดเองบนท่อ การใช้งานทั่วไป ได้แก่ ปลายเรียวสำหรับเชื่อมต่อ ช่องเปิดบานออก และส่วนต่อเชื่อม

หลักการทำงาน:

• ใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยเซอร์โวหรือระบบแม่พิมพ์ไฮดรอลิกเพื่อใช้แรงในแนวรัศมีและแนวแกนพร้อมกันบนปลายท่อ
• สามารถตั้งโปรแกรมล่วงหน้าสำหรับการเปลี่ยนแปลงมุมเรียว ความยาวเรียว และความหนาของผนังได้
• รองรับทั้งรูปทรงเรขาคณิตแบบเรียวศูนย์กลางและแบบเรียวนอกศูนย์กลาง

คุณสมบัติหลัก:

• เหมาะสมกว่าการรีดเพื่อมุมเรียวที่ยาวกว่า
• สามารถประมวลผลท่อโลหะผสมที่มีผนังหนาหรือแข็งได้
• มอบการเรียวที่เรียบเนียนและแม่นยำยิ่งขึ้น เหมาะสำหรับการปิดผนึกอินเทอร์เฟซหรือการเตรียมการเชื่อมล่วงหน้า

3.3การปั่นขึ้นรูป

เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการขึ้นรูปท่อทรงเรียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กถึงปานกลาง โดยเฉพาะท่อที่มีผนังหนาหรือส่วนผนังแปรผัน โดยทั่วไปใช้เครื่องกลึง CNC

ขั้นตอนการดำเนินการ:

• การอุ่นเครื่องเปล่า (หากจำเป็น)
• การติดตั้งดิสก์หรือท่อสั้นเข้ากับแกนหมุน
• ลูกกลิ้งขึ้นรูปใช้แรงตามแนวแกนและแนวรัศมีเพื่อขึ้นรูปวัสดุตามแม่พิมพ์เรียว
• กระบวนการติดตามอาจรวมถึงการตัดแต่งหรือการอบด้วยความร้อน

ข้อดี:

คุณภาพการขึ้นรูปสูง โครงสร้างไร้รอยต่อ ควบคุมความหนาได้อย่างแม่นยำ และพื้นผิวที่เสร็จสิ้นดีเยี่ยม

3.4กระบวนการรีดแผ่น + เชื่อม

นิยมใช้ในการผลิตท่อเรียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ โดยเฉพาะเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า DN600

ขั้นตอนการดำเนินการ:

• การตัดแผ่นและการเตรียมขอบ
• การรีดทรงกรวยโดยใช้เครื่องรีดแผ่น 3 ลูกกลิ้งหรือ 4 ลูกกลิ้ง
• การเชื่อมตะเข็บ (ภายในและภายนอก)
• การอบชุบด้วยความร้อนและการแก้ไขมิติ

ลักษณะเฉพาะ:

ขนาดที่ยืดหยุ่นและความสามารถในการปรับเปลี่ยนที่แข็งแกร่ง ต้องใช้การเชื่อมคุณภาพสูงเพื่อให้แน่ใจถึงความสมบูรณ์

3.5การขึ้นรูปแม่พิมพ์

เหมาะสำหรับการผลิตท่อเรียวที่ได้มาตรฐานจำนวนมาก กระบวนการนี้ใช้แม่พิมพ์ทรงกรวยบนเครื่องอัดไฮดรอลิกสำหรับการขึ้นรูปทั้งแบบร้อนและแบบเย็น

3.6เครื่องขึ้นรูปท่อเรียว (ระบบเรียว CNC)

เครื่อง CNC เฉพาะทางที่ออกแบบมาสำหรับการผลิตท่อเรียวโดยมีระบบควบคุมแบบตั้งโปรแกรมได้

คุณสมบัติหลัก:

• การปรับมุมเรียวและเส้นทางแรงขับที่ตั้งโปรแกรมได้
• ใช้งานได้กับเหล็กกล้าคาร์บอน สเตนเลส โลหะผสมอลูมิเนียม และอื่นๆ
• ระดับอัตโนมัติสูง รองรับการผลิตแบบแบตช์ที่กำหนดเอง

4.0วัสดุทั่วไปและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับท่อเรียว

5.0พื้นที่การใช้งานทั่วไปสำหรับท่อเรียว

อุตสาหกรรมเฟอร์นิเจอร์และของตกแต่ง

• ขาโต๊ะอลูมิเนียมทรงเรียว
• ขาโซฟาทรงเรียวสแตนเลส (เกรด 304)
• ท่อเฟอร์นิเจอร์ทรงเรียวเคลือบผง (สีดำ)
• ขาเก้าอี้ทรงเรียวกลวง
• โคมไฟแขวนทรงเรียวหลอดตกแต่ง

อุตสาหกรรมยานยนต์และจักรยานยนต์

• ท่อไอเสียทรงเรียว
• ท่อกรวยเปลี่ยนผ่านเทอร์โบ
• ท่อพักปลายเรียว
• ข้อต่อท่อเปลี่ยนหม้อน้ำทรงเรียว

โครงสร้างอุตสาหกรรมและเครื่องจักร

• ท่อลดขนาดโครงสร้างเรียว (เหล็กกล้าคาร์บอน)
• ท่อสเตนเลสสตีลทรงเรียว
• ท่อเกลียว API เรียว
• ข้อต่อปลายท่อเรียวไฮดรอลิก

สาธารณูปโภคของเทศบาลและอาคาร

• เสาไฟถนนทรงเรียว
• ท่อเสาธงทรงเรียว
• ท่อรองรับป้ายโฆษณาทรงเรียว
• เสาราวบันไดทรงเรียวสำหรับสวนสาธารณะ

หม้อไอน้ำและระบบความร้อน

• ท่อเปลี่ยนผ่านปล่องไอเสียหม้อไอน้ำทรงเรียว
• หัวฉีดเตาแบบเรียว
• ท่อทางเข้าเรียวสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน
• ท่อนำลมร้อนทรงเรียว

ระบบปิโตรเคมีและของไหล

• ท่อเคมีทนการกัดกร่อนทรงเรียว 316L
• ท่อทรงเรียว Hastelloy สำหรับการกระจายความร้อน
• ท่อควบคุมการไหลแบบเรียว
• หัวฉีดจ่ายแบบเรียวสำหรับของเหลว/แก๊ส

การบินและอวกาศและโครงสร้างระดับไฮเอนด์

• ท่อเสาเรียวคาร์บอนไฟเบอร์
• ท่อต่อลำตัวเครื่องบินทรงเรียว
• ท่อหัวฉีดเจ็ททรงเรียวสำหรับเครื่องบิน
• ท่อโครงถักเรียวสำหรับโครงสร้างดาวเทียม

6.0การอ้างอิงด่วนเกี่ยวกับการออกแบบท่อเรียว

6.1สูตรคำนวณแบบย่อสำหรับการคำนวณเรียว

อัตราส่วนเรียวเชิงเส้น
1. อัตราส่วนเรียว = (D1 − D2) ÷ L

มุมเทเปอร์ (เป็นองศา)
2. θ = อาร์คแทน((D1 − D2) ÷ 2L)

6.2ตัวอย่าง

7.0แนวโน้มในอนาคตของการพัฒนาท่อเรียว

เนื่องจากอุปกรณ์อุตสาหกรรมมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อขยายขนาดและการใช้งานให้หลากหลายมากขึ้น จึงทำให้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับท่อส่งผ่านที่ไม่ได้มาตรฐาน ทิศทางการพัฒนาที่สำคัญในอนาคต ได้แก่:

การส่งเสริมเหล็กกล้าแรงสูงและท่อเรียวคอมโพสิต

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเครื่องเรียวอัตโนมัติและการขึ้นรูป CNC

การออกแบบแบบโมดูลาร์เพื่อรองรับการบูรณาการเข้ากับระบบมาตรฐาน

การออกแบบและการผลิตท่อเรียวเป็นองค์ประกอบสำคัญในการเปลี่ยนผ่านและเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง โดยในอนาคต การออกแบบและการผลิตท่อเรียวจะมีบทบาทมากขึ้นในภาคส่วนต่างๆ เช่น พลังงาน การปกป้องสิ่งแวดล้อม และการผลิตอุปกรณ์

อ้างอิง

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