Розробка елементів теорії та основ технології холодної безоправочної гвинтової прокатки підшипникових труб малих діаметрів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

УДК 621.774.353

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка елементів теорії та основ технології

холодної безоправочної гвинтової прокатки

підшипникових труб малих діаметрів

спеціальність 05.03.05

"Процеси та машини обробки тиском"

Кострижев Андрій Геннадійович

Дніпропетровськ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ХАНІН Марко Ісаакович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри обробки металів тиском.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор СОКУРЕНКО Віктор Павлович, Державний науководослідний і конструкторськотехнологічний інститут трубної промисловості ім. Я. Ю. Осади, м. Дніпропетровськ, заступник директора;

кандидат технічних наук ШИФРІН Євген Ісайович, ВАТ "Нижньодніпровський трубопрокатний завод", м. Дніпропетровськ, заступник директора по розвитку технічний директор інституту розвитку.

Провідна установа:

Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, прокатні відділи, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться " 19 " лютого 2002 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий " 21 " грудня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

Загальна характеристика роботи

В умовах ринку основними задачами підвищення конкурентоздатності виробництва труб є розширення сортаменту, підвищення якості готових труб, зниження енергетичних та капітальних витрат виробництва.

Актуальність теми. Існуючі технологічні схеми одержання підшипникових труб малих діаметрів (менш за 50 мм) характеризуються високим рівнем металомісткості та енергомісткості та мають низку недоліків, які не дозволяють істотно збільшувати дробність сортаменту та продуктивність, підвищувати точність геометрії труб та якість поверхні, регулювати рівень механічних властивостей та залишкових напруг у матеріалі готових труб. Ці недоліки найбільш яскраво виявляють себе при виробництві підшипникових труб малих діаметрів, у зв'язку з чим їх виробництво в Україні обмежене; кільця підшипників малих типорозмірів одержують на підшипникових заводах механічною обробкою прутка з високим витратним коефіцієнтом металу.

Використання гнучкого процесу холодного редукування труб у тривалковому стані гвинтової прокатки в новій технології виробництва товстостінних труб малих діаметрів дозволяє уникнути недоліків існуючих технологій та здійснювати виробництво підшипникових труб високої якості з високою дробністю геометричних розмірів. Отже виконана в дисертації розробка елементів теорії та основ технології малодослідженого процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки підшипникових труб малих діаметрів є актуальною задачею.

При обертанні труб у стані гвинтової прокатки зі стаціонарною робочою кліттю існує небезпека втрати стабільності положення труб. Тому у новій технології при виробництві труб з відношенням довжини до діаметра понад 100 запропоновано вести процес холодного редукування у планетарному стані гвинтової прокатки з кліттю, що обертається.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана з науково-дослідними роботами Національної металургійної академії України та Державного трубного інституту (ДТІ). Дослідження виконано у рамках теми “Розробка та дослідження процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки труб зі сталі ШХ-15” № ГР 0101U004157, відповідальним виконавцем якої був автор.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка основ технології холодної безоправочної гвинтової прокатки підшипникових труб малих діаметрів.

Для досягнення поставленої мети визначені та вирішені такі задачі:

У галузі теорії процесу:

розробка методики визначення енергосилових параметрів, що ураховує вплив кінематичних та деформаційних особливостей холодної гвинтової прокатки;

розробка методики визначення потужності головних двигунів планетарного стана гвинтової прокатки;

аналіз впливу вихідних факторів прокатки на величину енергосилових параметрів холодного редукування гвинтовою прокаткою та розподіл потужності між головними двигунами планетарного стана;

визначення шляхів оптимізації процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки у напрямку зниження енергоспоживання та оптимізації роботи диференціального привода планетарного стана.

У галузі технології процесу та якості труб:

експериментальне дослідження енергосилових параметрів;

експериментальне дослідження формозміни;

дослідження точності геометричних розмірів труб;

дослідження зміни механічних властивостей труб зі сталі ШХ-15;

дослідження впливу холодної безоправочної гвинтової прокатки на рівень залишкових напруг у трубах зі сталі ШХ-15;

обгрунтування послідовності операцій нової технології виробництва товстостінних труб малих діаметрів.

Об'єкт дослідження - технологія виробництва підшипникових труб малих діаметрів.

Предмет дослідження - процес холодного редукування труб зі сталі ШХ-15 у тривалковому стані гвинтової прокатки.

Методи дослідження - математичне моделювання; натурні експерименти із застосуванням тензометрії, методів планування експерименту та статистичної обробки результатів; безпосереднє вимірювання лінійних розмірів та механічних властивостей, вимірювання рівня залишкових напруг методом магнітошумової емісії електронів.

Наукова новизна. Наукову новизну мають такі результати досліджень, уперше отримані у роботі:

Отримана теоретично та перевірена експериментально залежність енергосилових параметрів холодної безоправочної гвинтової прокатки труб від вихідних факторів процесу.

Отримана теоретично залежність розподілу потужності деформування між двома головними двигунами планетарного стана гвинтової прокатки від вихідних факторів прокатки з урахуванням внутрішнього передатного відношення диференціального редуктора планетарного стана (основної кінематичної характеристики привода).

Установлена експериментально можливість вільного (без підпору та натягу) процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки труб діаметром менш за 50 мм зі ступенем деформації до 20% в одному проході і до 30% за три проходи без проміжної термічної обробки.

Установлена експериментально залежність осьової швидкості вільного процесу холодного редукування у планетарному стані гвинтової прокатки від ступеню деформації труб по діаметру, кута подачі робочих валків та діаметра труби заготовки при заданій швидкості обертання кліті планетарного стана.

Експериментально установлена залежність кутової швидкості обертання робочих валків планетарного стана гвинтової прокатки від ступеню безоправочної деформації труб по діаметру при умові постійності швидкості обертання кліті стана та рівності нулю кутової швидкості обертання труби, яка прокатується.

Експериментально отримана залежність зміни середньої товщини стінки труби у процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки від ступеню деформації по діаметру та тонкостінності вихідної трубизаготовки. Отримана експериментально залежність апроксимована аналітичним виразом.

Експериментально установлений факт підвищення точності труб по діаметру у 23 рази та зниження різностінності із зростом обтиску по діаметру у процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень вільного процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки труб дозволяють визначати: відношення частот обертання двигунів планетарних станів за умови відсутності обертання труби, тобто при наявності тільки поступової швидкості; силу, потужність та продуктивність процесу в залежності від вихідних факторів деформації; геометричні розміри труб-заготовок по заданим параметрам готових труб. Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні станів холодного редукування зі стаціонарною та планетарною робочою кліттю, при визначенні раціональних параметрів приводу станів, оптимізації режимів деформації на шляху зниження енерговитрат, при розрахунку маршрутів холодної прокатки труб, проектуванні нових калібровок валків та визначенні параметрів стабільного перебігу вільного процесу холодної гвинтової прокатки.

Використання у новій технології виробництва труб процесу холодного редукування у стані гвинтової прокатки, комплексне експериментальне дослідження якого виконано у роботі, дозволяє одержувати готові труби:

з дробністю по діаметру 0,5 1,0 мм;

з продуктивністю до 100 250 м / год.;

з точністю по діаметру 0,1 0,3 мм, по товщині стінки до 4 5%, що відповідає вимогам ГОСТ 800-78 та міжнародних стандартів на підшипникові труби.

При холодній безоправочній гвинтовій прокатці відбувається зниження рівня залишкових напруг у готовій трубі відносно трубизаготовки, одержаної на стані холодної періодичної прокатки, у 5 10 разів.

Результати дисертаційної роботи використані на ВАТ "Краснодонський трубоелектрозварювальний завод" (довідка про використання від 10 квітня 2001р):

при будівництві нового цеху компоновка устаткування трубопрокатного агрегату для виробництва труб діаметром менш за 50 мм, що включає етапи гарячого та холодного переділу, виконана згідно із запропонованою у роботі схемою технологічних операцій [Заявка №2001020980 від 13.02.2001 р.];

при розробці маршрутів холодної прокатки труб діаметром менш за 50 мм використані результати експериментального дослідження кінематичних та деформаційних параметрів процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки;

результати аналізу впливу вихідних факторів прокатки на енергоспоживання у процесі холодного редукування гвинтовою прокаткою прийняті до розглядання з метою оптимізації процесу шляхом зниження енерговитрат.

Питання впровадження процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки при виробництві підшипникових труб малих діаметрів прийнято до опрацювання на ВАТ "Нижньодніпровський трубопрокатний завод" (протокол засідання технічної ради від 23 травня 2001 р.) та на ЗАТ "Нікопольський завод сталевих труб "ЮТіСТ" (протокол засідання технічної ради від 5 червня 2001 р.). гвинтова прокатка підшипникова труба

Особистий внесок здобувача. В дисертації не використані результати, які належать співавторам публікацій. У галузі теорії процесу холодного редукування труб гвинтовою прокаткою автором розроблені: методика визначення енергосилових параметрів, метод визначення потужності головних двигунів планетарного стана, алгоритм вибору внутрішнього передатного відношення диференціального редуктора планетарного стана; проведено аналіз впливу вихідних факторів прокатки на величину енергосилових параметрів холодного редукування та розподіл повної потужності між двигунами планетарного стана. Експериментальні дослідження процесу виконані автором сумісно із співпрацівниками Державного трубного інституту.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались на конференції молодих спеціалістів "Азовсталь98" (м. Маріуполь, 1998 р.), науковотехнічній конференції "Наука, производство, предпринимательство развитию металлургии" (м. Донецьк, 1998 р.), Всеукраїнській науковотехнічній конференції "Перспективні технології та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні" (м. Краматорськ, 1999, 2000, 2001 р.р.), 2 Міжнародній науковотехнічній конференції "Theoretical and technological problems of steel and nonferrous metal forming, TerTechForm 99" (Словаччина, 1999р.), 5 Міжнародній науковотехнічній конференції "Теоретичні проблеми прокатного виробництва" (м. Дніпропетровськ, 2000 р.), 4 Міжнародній науковій конференції (4^th International Symposium of Croatian Metallurgists) "Materials and Metallurgy, SHM2000" (Хорватія, 2000 р.), Міжнародній науковотехнічній конференції "Удосконалення процесів і обладнання виробництва та обробки металопродукції для металургії та машинобудування" (м.КраматорськСлов'янськ, 2000р.), 2 Міжнародній науковопрактичній конференції "ТРУБОКОН 2001" (м. Дніпропетровськ, 2001 р.), на об'єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України та прокатних відділів Інституту чорної металургії НАН України (м. Дніпропетровськ, 1998, 1999, 2000, 2001 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 12 статтях у спеціалізованих виданнях, 2 статтях у збірниках, що опубліковані по матеріалах конференцій, 2 тезах доповідей на конференціях. По результатах роботи подана 1 заявка про видачу патенту на винахід.

Структура дисертації. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки по роботі, список використаних джерел з 91 найменування, 2 додатки. Матеріали роботи викладені на 149 сторінках тексту, в тому числі на 120 сторінках основного тексту, 47 малюнках та у 8 таблицях.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обгрунтована актуальність її теми, визначені мета та задачі дослідження, представлені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача та апробація результатів дисертації.

Аналіз існуючих технологічних схем виробництва товстостінних труб малих діаметрів.

В Московському державному інституті сталі і сплавів (Росія) сумісно із ВАТ "Електростальський завод важкого машинобудування" (Росія) протягом останніх років ведуться дослідження процесу гарячої гвинтової розкатки труб малих діаметрів. Як основні труднощі цього процесу слід відзначити: значний розігрів та знос оправок малого діаметру, що погіршує якість внутрішньої поверхні труб; остигання нагрітої труби малого діаметру (менш за 30 мм) у процесі деформації негативно відбивається на точності геометричних розмірів і може викликати градієнт механічних властивостей по довжині готових труб; збільшення кількості проміжних підігрівів між основними технологічними операціями погіршує якість поверхні труб.

Досліджено процес високотемпературної термомеханічної обробки гвинтовим обтискуванням товстостінних труб на оправці у тривалковому стані з холостими валками. Основним недоліком процесу є наявність скручуючого моменту на трубі, яка деформується, що обмежує довжину труб і може приводити до зниження якості поверхні.

Основним недоліком одержання товстостінних труб у безперервних станах гарячої та холодної поздовжньої прокатки є поява гранчастості на внутрішній поверхні труб, тому на них звичайно не прокатують труби з кінцевим відношенням діаметра до стінки d_к/s_к < 8 - 9.

Редукування в круглому калібрі стана холодної періодичної прокатки (ХПТ) зі ступенем деформації 620% (в залежності від величини зерна вихідної заготовки та товщини стінки) веде до значного погіршення якості внутрішньої поверхні труб. Це обмежує довжину зони редукування калібровки валків та приводить до багатопроходності при виробництві труб малих діаметрів. Регулювання розхилу між валками з круглим калібром можливо не більш за 1 мм. При виробництві труб з високою дробністю геометричних розмірів (підшипникові труби діаметром менш за 42 мм) це приводить до частих перевалок та зниження технікоекономічних показників виробництва. Нерівномірність деформації в круглому калібрі стана ХПТ приводить до виникнення залишкових напруг у трубах, що при розрізанні підшипникових труб на кільця, наступній механічній та термічній обробці кілець часто викликає їх овалізацію та відбраковку.

При волочінні підшипникових труб проявляється ряд недоліків: високий витратний коефіцієнт металу через обріз захватних голівок; забивка кінців товстостінних труб вимагає наявності спеціального обладнання; при виробництві труб з вузькою градацією геометричних розмірів необхідно мати велику кількість волок під кожний розмір готової труби. Велика кількість підготовчих операцій, багатопроходність, а також неекономічність виробництва малими партіями є відомими недоліками процесу волочіння незалежно від призначення вироблюваних труб.

У ДТІ розроблено спосіб безперервної холодної прокатки у стані з клітями поздовжньої та гвинтової прокатки, що чергуються. Основними недоліками цього способа є скручування труби між клітями (при використанні холостих робочих валків гвинтової прокатки) та низька стійкість оправок малого діаметра внаслідок розігріву.

Основним недоліком виробництва труб машинобудівного призначення пресуванням є достатньо висока для цього виду труб різностінність при пресуванні 10% та більше. Безоправочне гідропресування труб характеризується обмеженим ступенем деформації по діаметру через утворення складок на внутрішній поверхні труб. При виробництві труб широкого сортаменту недоліком є негнучкість пресового інструменту.

Досліджено процес холодного та гарячого ротаціонного кування труб з d/s<5. При безоправочному куванні спостерігається значна гранчастість внутрішньої поверхні. При оправочному куванні виникає утруднення витягання оправки, закованої у готову трубу. Недоліками процесу є його відносно низька продуктивність та негнучкість інструменту.

Використання схеми "оправочна прокатка в стані ХПТтандем з чотиривалковою робочою кліттю холодна безоправочна гвинтова прокатка" дозволяє уникнути недоліків вищезазначених способів виробництва товстостінних труб малих діаметрів.

Теоретичне дослідження енергосилових параметрів холодного редукування труб у тривалковому планетарному стані гвинтової прокатки.

Визначення сили деформації. Методика розрахунку силових параметрів, одержана у цій роботі, ураховує кінематичні та деформаційні особливості холодної гвинтової прокатки. Беручи до уваги однакову фізичну сутність процесів деформації металу методом гвинтової прокатки у стаціонарній та планетарній кліті, виведення зроблено для умов прокатки у стаціонарній тривалковій кліті. Розв'язання задачі виконано методом балансу потужностей. У процесі, що розглядається, рівняння балансу потужностей представлено у вигляді:

N_ф + N_ср + N_ск = N_в,

де N_ф потужність формозміни; N_ср потужність поздовжнього та поперечного зрізу; N_ск потужність сил тертя ковзання на контакті валокметал, N_в потужність, яка підводиться валками.

Розв'язуючи рівняння балансу, одержимо коефіцієнт напруженого стану:



,

де v₀ швидкість труби на вході до осередку деформації, = d₀ s середній діаметр труби на вході до осередку деформації, середній діаметр труби на виході з осередку деформації, s товщина стінки труби, ' умовний кут конусності осередку деформації, l довжина контактної поверхні у ділянці пластичної деформації, _r кутова швидкість обертання труби, та r - радіуси труби на вході та виході з осередку деформації у напрямку обертання, u - колова швидкість валка, f - коефіцієнт тертя, w - швидкість відносного ковзання.

= (r + ), ,

, _м = arctg ( tg ),

,

w = ,

- коефіцієнт овалізції поперечного перерізу труби в осередку деформації, - коефіцієнт витяжки, n_в - частота обертання валків, - кут подачі, R - радіус валка, v швидкість гвинтового переміщення металу, _x та _y коефіцієнти осьової та тангенціальної швидкості, _м кут гвинтового переміщення металу.

Сила прокатки:

P = 1.15 n _т b l, b = ширина контактної поверхні.

Експерименти показали, що у досліджуваному процесі товщина стінки труби може зменшуватись, збільшуватись або залишатись постійною в залежності від обтиску по діаметру та тонкостінності трубизаготовки d_о/s_о. Тому при визначенні силових параметрів процесу для спрощення виводу прийнята схема плоскодеформованого стану (s = const). Рішення виконано у середніх величинах по довжині осередку деформації. За середній прийнято переріз, у якому лежить центр ваги кривої зміцнення. Положення центру ваги (ЦТ) характеризується координатою l₁ = lc. Коефіцієнт положення

ЦТ с = 2_т/(3_т +_то),

де _то та _т початкове та кінцеве значення межі текучості.

Експериментальні значення сили прокатки при холодному редукуванні труб 48 х 7,7 мм та 36,6 х 4,7 мм зі сталі ШХ15 одержані на планетарному стані гвинтової прокатки ДТІ. Порівняння розрахункових значень P з експериментальними показало, що точність розробленої методики знаходиться на рівні 7 18%.

Згідно з розробленою методикою проведено аналіз впливу вихідних факторів прокатки на величину енергосилових параметрів. До 80% повної потужності прокатки витрачається на подолання сил, повязаних з впливом зовнішніх зон осередку деформації (поздовжній та поперечний зріз), 10 15% потужності на подолання сил тертя ковзання на контакті. Із зростанням коефіцієнт напруженого стану та сила прокатки збільшуються.

При збільшенні кута вхідного конусу валків за рахунок збільшення частинного обтиску зростає коефіцієнт напруженого стану n; зменшення сили прокатки відбувається внаслідок зменшення площі контактної поверхні. При однаковому обтиску в осередку деформації прокатка труби більшого діаметра відбувається при підвищеному зусиллі; зниження співвідношення d_о/s_о веде до зростання силових параметрів. При збільшенні R та n_в складові балансу потужності збільшуються внаслідок зростання швидкості процесу.

Визначення потужності головних двигунів планетарного стана гвинтової прокатки виконано на основі аналізу кінематики диференціального приводу стана. Порівняльний аналіз енергоспоживання у станах гвинтової прокатки зі стаціонарною кліттю та клітьми, що обертаються (кліть з холостими валками, з планетарним або диференціальним редуктором), показав: повна корисна потужність прокатки не залежить від виду приводу; найбільш гнучким видом приводу для здійснення гвинтової прокатки без обертання труби є диференціальний привод з двома головними двигунами; диференціальний редуктор планетарного стана необхідно виготовляти тільки з непарним числом ступенів, з тим щоб уникнути випадку роботи одного з двигунів у режимі генераторного гальмування.

У кліті з диференціальним редуктором повна потужність прокатки:

N = N_ш + N_кл,

де N_ш та N_кл частини повної потужності, підведені до центральної шестерні редуктора та кліті.

У випадку прокатки труби без її обертання ( _т = 0 ):

, ,

де М_пр момент прокатки, U_ред внутрішнє передаточне відношення редуктора, _кл кутова швидкість обертання кліті, і відношення радіусів труби та валка у нейтральному тангенціальному перерізі осередку деформації (прийнято cos = 1).

Ураховуючи кут подачі робочих валків, відносний розподіл потужності одержимо у вигляді:

, .

Аналіз впливу вихідних факторів прокатки на розподіл потужності між двигунами планетарного стана показав, що найбільший вплив на розподіл потужності має внутрішнє передаточне відношення диференціального редуктора U_ред. На основі аналізу розроблено алгоритм вибору внутрішнього передаточного відношення редуктора планетарного стана за умови заданого розподілу потужності.

Експериментальне дослідження холодної безоправочної гвинтової прокатки труб із сталі шх15.

Дослідження процесу здійснювалось на лабораторній установці Державного трубного інституту, яка включає планетарний стан гвинтової прокатки з двома головними двигунами та кліть поздовжньої прокатки з круглим калібром з приводом від окремого двигуна. Заповнення осередку деформації планетарного стана відбувалося під дією сили підпору, яка створюється кліттю поздовжньої прокатки.

У дослідженні використовувалися відпалені та невідпалені трубизаготовки зі сталі ШХ15, одержані прокаткою на стані ХПТ. Калібровка робочих валків конусна: кут обтискного конусу 15⁰, довжина калібруючого циліндричного відтинку 10 мм, кут вихідного конусу 2⁰, діаметр валків у циліндричній частині 140 мм, довжина бочки 50 мм. Ступінь деформації: труб 32 х 4,0 мм до 22% в одному проході, 48 х 7,7 мм до 21% за два проходи, 43 х 8,0 мм до 30% за три проходи без проміжної термообробки. Погіршення внутрішньої поверхні не виявлено.

Зміна середньої товщини стінки труб при холодному редукуванні гвинтовою прокаткою одержана у залежності від d₀/s₀ прокатуваних труб та обтиску по діаметру . Експериментальні дані апроксимовані аналітичним виразом ( = 5⁰ ):

Середня товщина стінки труби при холодній безоправочній гвинтовій прокатці змінюється у бік збільшення, зменшення, або залишається постійною, як і в інших процесах безоправочної деформації труб, однак кількісні показники цієї зміни істотно відрізняються. При куті подачі робочих валків = 5⁰ середня стінка труби не змінюється, якщо відношення початкової стінки до діаметра становить s₀/d₀ = 0,125 0,130 перше критичне відношення (d₀/s₀ = 8,07,7); тонкостінність не змінюється, якщо s₀/d₀ = 0,20 0,28 друге критичне відношення (d₀/s₀ = 5,0 3,6). Друге критичне відношення зменшується із зростанням ступеню деформації по діаметру.

Точність по товщині стінки у процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки підвищується із зростанням ступеню деформації по діаметру і може досягати 4 5%, при цьому різностінність готової труби залежить від різностінності вихідної трубизаготовки. Точність по зовнішньому діаметру зростає в 2 3 рази і знаходиться на рівні 0,10,3 мм, що відповідає ГОСТ 800-78 та міжнародним стандартам на підшипникові труби.

Дослідження швидкісних параметрів холодної безоправочної гвинтової прокатки проведено при частоті обертання кліті планетарного стана n_кл = 5 с^-1. Якщо труба, яка прокатується, не обертається (_т = 0), то:

,

де _т - кутова швидкість центральної шестерні редуктора стана, r_н та R_н - радіуси прокатуваної труби та валка у нейтральному тангенціальному перерізі.

Положення нейтрального тангенціального перерізу осередка деформації змінюється у залежності від вихідних факторів прокатки, зокрема, обтиска по діаметру. Тому за умови n_кл = const та _т = 0 кутову швидкість центральної шестерні редуктора планетарного стана (частоту обертання двигуна валків) необхідно визначати з урахуванням цієї зміни.

Із зростанням ступеню відносної деформації по діаметру та зменшенням кута подачі робочих валків осьова швидкість труби зменшується. Коефіцієнт осьової швидкості зменшується із зростанням обтиску по діаметру і на виході з осередку деформації в осьовому напрямку знаходиться у межах 0,15 -0,70. Із використанням експериментальних залежностей швидкісних параметрів одержані: розподіл коефіцієнтів осьової і тангенціальної швидкостей по довжині осередку деформації; розподіл швидкості ковзання на контакті валок-метал; залежності коефіцієнта тангенціальної швидкості та коефіцієнта положення нейтрального тангенціального перерізу осередку деформації від обтиску .

Результати, одержані у галузі кінематики, можуть бути використані при визначенні параметрів стабільного перебігу вільного процесу холодного редукування труб гвинтовою прокаткою.

Зміна залишкових напруг (ЗН) у процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки невідпалених труб-заготовок досліджена методом магнітошумової емісії електронів. Із зростанням обтиску по діаметру рівень та розбіжність значень ЗН знижуються. Максимальне зниження залишкових напруг спостерігається при ступені деформації по діаметру 8 12%.

Основний вплив на рівень залишкових напруг має знакозмінна деформація вигину стінки при обертанні овалізованого профілю труби в осередку деформації тривалкового стана. При зменшенні кута подачі робочих валків збільшується кількість циклів знакозмінної тангенціальної деформації, що інтенсифікує зниження рівня залишкових напруг.

Характер зміни механічних властивостей сталі ШХ-15 при холодній безоправочній гвинтовій прокатці істотно відрізняється від відповідних залежностей при поздовжній прокатці.

Кінцевий рівень механічних властивостей буде формуватись під дією ряду факторів: зміцнення від технологічної радіальної деформації по діаметру, знеміцнення від знакозмінної тангенціальної деформації та знеміцнення від температури з можливим наступним зміцненням в результаті деформаційного старіння.

Основи технології виробництва товстостінних труб малих діаметрів із застосуванням процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки.

Проведені дослідження процесу холодного редукування труб у стані гвинтової прокатки та аналіз існуючих технологій дозволяють рекомендувати як найбільш ефективну таку схему виробництва товстостінних труб малих діаметрів: 1. Підготовка круглої катаної заготовки до прокатки. Нагрів до температури прошивання. 2. Прошивання суцільної заготовки у порожнисту гільзу в стані гвинтової прокатки. У діапазоні діаметрів готових труб 20 - 50 мм необхідним є один типорозмір заготовки. 3. Редукування гільзи у безперервному стані поздовжньої прокатки (69 клітей) зі ступенем деформації, що не перевищує 13% для гільз із відношенням d_г/s_г < 12 і не перевищує 18 % для гільз із d_г/s_г > 12. 4. Охолодження до температури оточуючого середовища. Видалення окалини. 5. Холодна періодична прокатка на оправці у стані ХПТ-тандем зі ступенем сумарної деформації до 87%. У діапазоні діаметрів 20 50 мм необхідні чотири базових типорозміри калібрів. 6. Холодна безоправочна гвинтова прокатка у тривалковому (планетарному) стані. З метою компенсації різниці у продуктивності станів ХПТ та гвинтової прокатки можливе установлення двох станів гвинтової прокатки (які працюють паралельно або послідовно) за одним станом ХПТ. Це забезпечить продуктивність лінії на рівні 200 - 250 м / годину.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці елементів теорії та основ технології холодної безоправочної гвинтової прокатки підшипникових труб малих діаметрів. Задача вирішується шляхом теоретичного та комплексного напівпромислового експериментального дослідження процесу холодного редукування труб зі сталі ШХ15 у тривалковому планетарному стані гвинтової прокатки. Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні нової технології виробництва труб високої якості.

1. Аналіз існуючих технологічних схем одержання труб діаметром менш за 50 мм машинобудівного призначення з відношенням діаметра до товщини стінки d/s < 12 показав, що вони мають низку недоліків, які не дозволяють істотно збільшувати дробність сортаменту (особливо при виробництві труб малими партіями), підвищувати точність геометричних розмірів труб та якість поверхні, регулювати рівень механічних властивостей та залишкових напруг у матеріалі готових труб. Використання гнучкого процесу холодного редукування труб у тривалковому (планетарному) стані гвинтової прокатки в новій технології виробництва товстостінних труб малих діаметрів дозволяє уникнути недоліків існуючих технологій та здійснювати виробництво підшипникових труб високої якості з високою дробністю геометричних розмірів. Отже виконана в дисертації розробка елементів теорії та основ технології малодослідженого процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки підшипникових труб малих діаметрів є актуальною задачею.

2. Вперше розроблена методика визначення енергосилових параметрів холодного редукування труб у тривалковому стані гвинтової прокатки, що виконана методом балансу потужностей. Згідно з розробленою методикою проведено аналіз впливу вихідних факторів процесу на величини енергосилових параметрів. Порівняння теоретично одержаних результатів з експериментальними даними засвідчує достатньо високу точність розробленої методики, що дозволяє рекомендувати її для практичного використання.

3. Розроблено метод визначення потужності головних двигунів планетарного стана гвинтової прокатки у залежності від вихідних параметрів деформації. Проведено аналіз впливу вихідних параметрів прокатки (ступеню деформації по діаметру, кута подачі робочих валків, відношення діаметра прокатуваної труби до діаметра валків) на абсолютний та відносний розподіл потужності між двома головними двигунами стана. Розроблено алгоритм вибору внутрішнього передаточного відношення диференціального редуктора стану, виходячи з умови заданого розподілу потужності між двигунами.

Одержані результати можуть бути використані при проектуванні планетарних станів гвинтової прокатки та оптимізації процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки на шляху зниження енерговитрат.

4. Процес холодної безоправочної гвинтової прокатки товстостінних труб діаметром менш за 50 мм вперше здійснено зі ступенем деформації по діаметру до 20% в одному проході та до 30% за три проходи без проміжної термообробки.

5. В роботі вперше експериментально одержана залежність зміни товщини стінки труб в процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки.

При розрахунку маршрутів холодної деформації труб отримана залежність зміни товщини стінки дозволяє визначати розміри трубизаготовки і відповідно настроювати стан холодної періодичної прокатки.

6. Вперше експериментально установлено факт підвищення точності труб по діаметру у 23 рази та зниження різностінності з ростом обтиску по діаметру у процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки. Точність геометричних розмірів труб після холодного редукування гвинтовою прокаткою відповідає вимогам ГОСТ 800 78 та міжнародних стандартів на підшипникові труби.

7. У роботі вперше теоретично отриманий зв'язок між кутовими швидкостями обертання кліті, центральної шестерні диференціального редуктора планетарного стана та факторами прокатки при умові відсутності обертання труби, яка прокатується. Експериментально визначена залежність кутової швидкості обертання центральної шестерні диференціального редуктора від обтиску труби по діаметру при постійній частоті обертання робочої кліті стана і кутовій швидкості труби _т = 0. Отримана залежність дозволяє визначати співвідношення обертів двигунів стану для одержання _т = 0 при прокатці.

8. Вперше експериментально встановлена залежність осьової швидкості вільного (без підпору та натягу) процесу холодного редукування труб гвинтовою прокаткою від ступеню деформації по діаметру та кута подачі робочих валків. Отримана залежність дозволяє визначати продуктивність процесу при різних вихідних факторах прокатки.

9. У роботі дістало подальший розвиток дослідження зміни залишкових напруг у процесі холодної безоправочної гвинтової прокатки невідпалених труб-заготовок зі сталі ШХ-15, яке виконано методом магнітошумової емісії електронів. Із зростанням ступеню деформації труб по діаметру залишкові напруги знижуються у 5 10 разів.

Мінімізація залишкових напруг в підшипникових трубах дозволяє зменшити овалізацію та зумовлену цим відбраковку заготовок кілець підшипників при їх механічній та термічній обробці в умовах підшипникових заводів.

10. Дістало подальший розвиток дослідження зміни механічних властивостей труб із сталі ШХ-15 у процесі холодного редукування гвинтовою прокаткою у залежності від ступеню деформації по діаметру. Залежності, отримані в роботі, дозволяють розраховувати маршрути холодної прокатки труб, що забезпечують потрібний рівень механічних властивостей у готових підшипникових трубах.

11. У роботі запропонована та обгрунтована нова технологічна схема виробництва товстостінних труб малих діаметрів, яка включає прошивання заготовки у стані гвинтової прокатки, редукування гільзи у безперервному стані поздовжньої прокатки, холодну періодичну прокатку на оправці в стані ХПТ-тандем з чотиривалковою робочою кліттю та холодну безоправочну гвинтову прокатку.

12. Результати роботи використані на ВАТ "Краснодонський трубоелектрозварювальний завод": при будівництві нового цеху компоновка устаткування трубопрокатного агрегату виконана згідно із запропонованою у роботі схемою технологічних операцій; при розробці маршрутів холодної прокатки труб діаметром менш за 50 мм використані результати експериментального дослідження кінематичних та деформаційних параметрів процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки; результати аналізу впливу вихідних факторів прокатки на енергоспоживання у процесі холодного редукування гвинтовою прокаткою прийняті до розглядання з метою оптимізації процесу шляхом зниження енерговитрат.

Питання упровадження процесу холодної безоправочної гвинтової прокатки при виробництві підшипникових труб прийняте до опрацювання на ВАТ "Нижньодніпровский трубопрокатний завод" та на ЗАТ "Нікопольський завод сталевих труб "ЮТіСТ".

основний зміст дисертації опубліковано у роботах

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Определение силы деформации при холодной винтовой прокатке труб в трехвалковом стане // Теория и практика металлургии. 1998. №3. С.5052.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Анализ энергосиловых параметров холодного редуцирования труб в трехвалковом стане винтовой прокатки // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1999. №23. С.4951.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Кинематика и мощность привода в станах винтовой прокатки планетарного типа // Теория и практика металлургии. 1999. №6. С.3740.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Мощность деформации в станах винтовой прокатки со стационарной и вращающимися клетями // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Міжвуз. темат. зб. наук. пр. Краматорськ. 1999. С.191193.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Определение энергосиловых параметров холодного редуцирования труб в трехвалковом планетарном стане винтовой прокатки // Сталь. 1999. №8. С.5556.

Kostriћev A.G., Chanin M.I. Manufacturing of the small diameter bearing tubes in the planetary mill of the cold screw rolling // Acta Metallurgica Slovaka. 1999. №5. P.224227.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Распределение мощности деформации между двигателями планетарного стана винтовой прокатки // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2000. №3. С.5558.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Энергосиловые параметры холодной безоправочной винтовой прокатки подшипниковых труб // Производство проката. 2000. №10. С.2125.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Выбор внутреннего передаточного отношения дифференциального редуктора планетарного стана винтовой прокатки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. Краматорськ. 2000. С.527531.

Кострижев А.Г., Ханин М.И. Экспериментальное исследование скоростных параметров свободного процесса холодной винтовой прокатки // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. КраматорськСлов'янськ. 2000. С.4043.

Кострижев А.Г., Ханин М.И. Изменение средней толщины стенки труб при холодной безоправочной винтовой прокатке // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. Краматорськ. 2001. С. 662 664.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Определение мощности главных двигателей планетарного стана винтовой прокатки // Производство проката. 2001. №4. С. 11 16.

Заявка 2001020980 Україна, МПК⁶ В 21 В 23/00, 19/04, 19/10, 21/00. Спосіб виробництва труб / А.Г. Кострижев, М.В. Попов, М.І. Ханін, С.В. Автономов; Національна металургійна академія України Заявлено 13.02.2001 р.

Додатково наукові результати відображено у роботах

Кострижев А.Г. Новый способ получения подшипниковых труб малого диаметра // Тезисы докладов научнотехнической конференции молодых специалистов " Азовсталь 98" ( г. Мариуполь, 29 мая 1998 г. ) Мариуполь: ОАО " МК " Азовсталь". 1998. С. 32.

Popov M.V., Khanin M.I., Kostryzhev A.G. Cold Reduction of Bearing Tubes in the Screw Rolling Mill // Metalurgija. 2000. Vol.39, №3. P.219.

Ханин М.И., Кострижев А.Г. Сила и мощность редуцирования труб в стационарных и планетарных станах винтовой прокатки // Металлургическая и

горнорудная промышленность. 2000. №89. С.291294.

Ханин М.И., Кострижев А.Г., Попов М.В. Получение подшипниковых труб малых диаметров с использованием процесса холодного редуцирования в планетарном стане винтовой прокатки // Материалы 2й Международной научнопрактической конференции по проблемам совершенствования производства и эксплуатации трубной продукции "ТРУБОКОН 2001" (г.Днепропетровск, 12 14 июня 2001 г.) Днепропетровск: ОАО НТЗ. 2001. С. 140 143.

АНОТАЦІЇ

Кострижев А.Г. Розробка елементів теорії та основ технології холодної безоправочної гвинтової прокатки підшипникових труб малих діаметрів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. "Процеси та машини обробки тиском". Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена розробці елементів теорії та основ технології вільного (без підпору та натягу) процесу холодного редукування труб у тривалковому стані гвинтової прокатки. Використання цього процесу при виробництві труб машинобудівного призначення діаметром менш ніж 50 мм дозволяє уникнути недоліків існуючих технологій та забезпечує високу якість труб.

На основі вперше розроблених методик виконано аналіз впливу вихідних факторів прокатки на енергосилові параметри процесу і на розподіл потужності між двома головними двигунами планетарного стану. Процес холодної безоправочної гвинтової прокатки товстостінних труб діаметром менш ніж 50 мм уперше здійснено зі ступенем деформації по діаметру до 20 % в одному проході та до 30 % за три проходи без проміжної термообробки. У роботі запропоновано і обґрунтовано нову технологічну схему виробництва товстостінних труб малих діаметрів, що містить в собі як заключну операцію процес холодної безоправочної гвинтової прокатки.

Ключові слова: гвинтова прокатка, холодне редукування труб, підшипникові труби, енергосилові параметри.

Кострижев А.Г. Разработка элементов теории и основ технологии холодной безоправочной винтовой прокатки подшипниковых труб малых диаметров. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. "Процессы и машины обработки давлением". Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена разработке элементов теории и основ технологии свободного (без подпора и натяжения) процесса холодного редуцирования труб в трехвалковом планетарном стане винтовой прокатки. Использование этого процесса при производстве труб диаметром менее 50 мм машиностроительного назначения (в т.ч. подшипниковых) позволяет избежать недостатков существующих технологий и повысить конкурентоспособность труб указанного сортамента. Повышение конкурентоспособности обусловлено высоким качеством труб, низкой энергоемкостью и металлоемкостью производства, экономичностью изготовления труб малыми партиями.

В теоретической части диссертации впервые разработана методика расчета энергосиловых параметров, учитывающая кинематические и деформационные особенности процесса. Точность методики подтверждена экспериментальными данными. Разработан метод определения мощности главных двигателей планетарного стана винтовой прокатки и алгоритм выбора внутреннего передаточного отношения дифференциального редуктора стана. По разработанным методикам проведен анализ влияния исходных факторов прокатки на энергосиловые параметры холодного редуцирования и на распределение мощности между двумя главными двигателями планетарного стана.

Экспериментальное исследование свободного процесса холодной безоправочной винтовой прокатки труб из стали ШХ15 проведено в следующих направлениях: обжимная способность, энергосиловые параметры, кинематика и производительность, изменение средней толщины стенки и точность геометрических размеров труб, изменение механических свойств и остаточных напряжений в материале труб. Процесс холодного редуцирования труб диаметром менее 50 мм винтовой прокаткой впервые осуществлен со степенью деформации по диаметру до 20 % в одном проходе и до 30 % за три прохода без промежуточной термообработки.

В работе предложена и обоснована новая технологическая схема производства толстостенных труб малых диаметров включающая в качестве заключительной операции процесс холодной безоправочной винтовой прокатки.

Ключевые слова: винтовая прокатка, холодное редуцирование труб, подшипниковые трубы, энергосиловые параметры

Kostrizhev A.G. Elaboration of the theory elements and technology foundations for the cold screw rolling without mandrel of small diameter bearing tubes. Manuscript

Thesis for a candidate degree in engineering sciences in speciality 05.03.05. "Processes and machines of metal forming". National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2001.

The thesis is addressed to elaboration of the theory elements and technology foundations for the free (without push and tension) process of the cold tube reduction in the threeroll planetary mill of screw rolling. Use of this process while producing engineering tubes having diameters below 50 mm allows to avoid contemporary technologies disadvantages and provides high quality of the tubes.

An analysis of the influence of initial rolling factors on the energy and force parameters of the process and power distribution between two main motors of a planetary mill was carried out on the base of the first developed methods. The process of the cold screw rolling (without mandrel) of the heavywalled tubes having diameters below 50 mm was realized for the first time with degree of diameter deformation to 20% in one pass and 30% in three passes without intermediate heat treatment. A new technological scheme was proposed and substantiated for production of the small diameter heavy-walled tubes including as a final operation the process of the cold screw rolling without mandrel.

Key words: screw rolling, cold reduction of tubes, bearing tubes, energy and force parameters

Размещено на Allbest.ru

...