Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ТА УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ХОЛОДНОДЕФОРМОВАНИХ ПРЕЦИЗІЙНИХ ТРУБ З ВИКОРИСТАННЯМ ПРОЦЕСІВ ВОЛОЧІННЯ

Стасовський Ю.М.

Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”

Дніпропетровськ - 2002

Анотація

Стасовський Ю.М. Розвиток теорії та удосконалення технології виробництва холоднодеформованих прецизійних труб з використанням процесів волочіння. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.05.- Процеси і машини обробки тиском.- Державний трубний інститут, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці нових наскрізних технологій виробництва холоднодеформованих прецизійних труб з чорних та кольорових металів.

Уперше теоретично та експериментально досліджено нестаціонарний процес деформування нетрадиційної трубної заготовки (гільзи артилерійських пострілів - НТЗ) за комплексною наскрізною технологією (у три етапи) із застосуванням процесів волочіння. Одержано нові аналітичні вирази для визначення параметрів технологічного процесу виробництва прецизійних труб.

Запропоновано метод проектування технологічних маршрутів виробництва прецизійних труб за наскрізними технологіями, уперше експериментально визначено критерії - критичний ступінь відносної деформації - для розрахунку уніфікованих розмірів переробної трубної заготовки, виявлено закономірності зміни шорсткості внутрішньої поверхні труб при волочінні на оправці, визначено вимоги до якості поверхні вихідної трубної заготовки.

На базі теоретичних положень та технологічних режимів видано практичні рекомендації на проектування і створення нових міні-заводів і міні-виробництв з виготовлення прецизійних труб зовнішнім діаметром від 40 до 0,3 мм і з товщиною стінки до 0,017 мм з чорних і кольорових металів в умовах України.

Ключові слова: прецизійні труби, волочіння, технологія, нестаціонарний процес волочіння труб, технологічне мастило, рухома оправка, закріплена оправка.

холоднодеформований труба волочіння гільза

Аннотация

Стасовский Ю.Н. Развитие теории и совершенствование технологии производства холоднодеформированных прецизионных труб с применением процессов волочения.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.05.- Процессы и машины обработки давлением.- Государственный трубный институт, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена разработке новых научно обоснованных сквозных ресурсосберегающих технологий промышленного производства холоднодеформированных прецизионных труб из черных и цветных металлов с применением процессов волочения с использованием сварной, бесшовной и нетрадиционной (гильзы артиллерийских выстрелов) трубной заготовки унифицированных размеров в условиях современных мобильных мини-заводов и мини-производств.

Выполнены теоретические и экспериментальные исследования нестационарного процесса деформирования нетрадиционной трубной заготовки (НТЗ) по комплексной технологии (в три этапа) с применением процессов волочения.

Определены новые аналитические выражения для получения технологических параметров процесса изготовления холоднодеформированных прецизионных труб, учитывающие взаимное влияние таких факторов как механические свойства металла трубы до и после деформации, характеристики технологических смазок, геометрические параметры и шероховатость поверхностей исходной трубной заготовки и технологического инструмента.

Определены условия наиболее эффективного применения термопластического деформирования труб на длинной оправке в части расширения спектра материалов (тугоплавкие металлы - цирконий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам и др.; стали аустенитного класса; нихром) изготовляемых труб и расширения их сортамента (трубы толстостенные, особо толстостенные, с продольными внутренними ребрами различной конфигурации и др.).

Предложены новые способы волочения на закрепленной оправке, применение которых позволило изготовить новые виды прецизионных труб с минимальной шероховатостью поверхности. При этом выявлены закономерности изменения шероховатости внутренней поверхности труб при волочении на оправке.

Предложен метод проектирования технологических маршрутов производства прецизионных труб по сквозным технологиям, предусматривающий поэтапное проектирование сквозного блочного (модульного) технологического процесса изготовления прецизионных труб с регламентированными эксплуатационными характеристиками на каждом этапе их производства.

Впервые определены критерии - критическая степень относительной деформации до термообработки - для расчета унифицированных размеров передельной трубной заготовки, полученной различными методами.

Разработаны новые научно обоснованные сквозные ресурсосберегающие технологии промышленного производства холоднодеформированных прецизионных труб из черных и цветных металлов наружным диаметром от 40 до 0,3 мм и с толщиной стенки до 0,017 мм с применением процессов волочения и с использованием сварной, бесшовной и нетрадиционной (гильзы артиллерийских выстрелов) заготовок, которые рекомендованы к применению в условиях Украины при создании новых мини-заводов и мини-производств.

Ключевые слова: прецизионные трубы, волочение, технология, нестационарный процесс волочения труб, технологическая смазка, подвижная оправка, закрепленная оправка.

Summary

Stasovskiy Yu.N. Development of the theory and improvement of the technology of cold-formed tubes manufacture using the processes of drawing. - Manuscript.

The dissertation on competition for academic degree of Doctor of Technical Science, speciality - 05.03.05. - Processes and Machines for Metal Forming. - The State Tube Institute, Dnipropetrovsk, 2002.

The dissertation is devoted to development of the theory and improvement of the technology of manufacturing of precision cold worked tubes from of ferrous and nonferrous metals, using the processes of cold drawing at transportable mini-works.

For the first time theoretic and experimental researches of non-stationary process of forming of untraditional tube billets (shells for artillery shots) were carried out according to an integrated technology (in three stages), using the processes of pushing, free reduction, drawing on a movable mandrel.

An integrated mathematical apparatus for controlling the technological process during the manufacture of the precision cold-formed tubes has been designed.

The area of the most efficient application of thermoplastic tube forming on long mandrel has been determined.

New methods of drawing on a stationary mandrel, which are based on the mandrel design improvement, allowed to manufacture cold-formed tubes with improved qualitative adjectives.

For the first time method of engineering the technological process flows for the production of precision tubes has been designed. It was designed by engineering of technologies, consisting of several stages (modules) of manufacturing process, and by the improved qualitative adjectives of tubes.

The parameters of the surface roughness change of the tubes during the drawing have been determined.

Recommendations on engineering the new mini-plants for manufacture of precision tubes with outside diameter of 0.3mm - 40.0 mm and wall thicknesses of 0.017 -1.0 mm out of nonferrous and ferrous metals are realized in conditions of the Ukrainian plants: Pilot Production (testing) Plant of the State Tube Institute (Dnipropetrovsk) and Nonferrous Metals Working Plant (Artemovsk).

Key words: precision tubes, drawing tubes, technology, non-stationary process of drawing tubes, technological grease, movable mandrel, stationary mandrel.

1. Загальна характеристика роботи

Створення ефективних ресурсо- та енергозберігаючих наскрізних технологій виробництва холоднодеформованих прецизійних труб зовнішнім діаметром менше 40 мм із застосуванням процесів волочіння та використанням уніфікованих розмірів трубної заготовки із чорних і кольорових металів викликано необхідністю підвищення їх якості та зниження витрат за рахунок скорочення циклічності виробництва внаслідок використання оптимальних деформаційно-швидкісних параметрів технологічного процесу.

Нині істотно зростає роль технологічних розробок на базі теоретичних та експериментальних досліджень для створення сучасних мобільних міні-виробництв з досконалою структурою й тісними технологічними зв'язками, оснащених високопродуктивним обладнанням та надійними наскрізними ресурсозберігаючими технологіями для виготовлення наукоємної продукції (прецизійних труб).

Актуальність теми. З розвитком пріоритетних галузей промисловості, таких як точне енергетичне машинобудування, приладобудування, авіабудування, суднобудування, ракетобудування, постійно зростають вимоги до труб: забезпечення високої точності одночасно декількох геометричних параметрів, мінімальної шорсткості поверхонь, дрібнозернистої структури, високої питомої міцності, мінімальної кривизни. Крім того, постійно виникає необхідність виробництва нових наукоємних видів холоднодеформованих прецизійних труб: товстостінних з малим внутрішнім каналом високої точності і труб з мінімальною величиною шорсткості поверхні (R_a не більше 0,63 мкм), тонкостінних і капілярних труб із корозієстійких сталей, кольорових металів (тугоплавких, важких, легких та інших) і сплавів на їх основі. Сучасні технічні вимоги до прецизійних труб нині не забезпечуються в повній мірі вітчизняними трубними підприємствами через низку серйозних причин. У недостатній мірі досліджені процеси волочіння, закономірності зміни шорсткості поверхонь труб. Використання емпіричних виразів при розрахунку параметрів технології утруднює її оптимізацію в умовах різних виробництв. Технології, що використовуються при виготовленні труб, багатоциклічні і затратні, не забезпечують конкурентоспроможності цих видів продукції. Гільзи артилерійських пострілів, які використовуються як нетрадиційна трубна заготовка, вносять нестаціонарність у процеси волочіння через змінність геометричних параметрів по їх довжині. Керування технологічним процесом здійснюється в “ручному” режимі. Забезпечення технічних вимог до продукції виконується окремо для кожної операції через відсутність тісного оперативного технологічного зв'язку між основними виробничими блоками (модулями) з причини відсутності наскрізних технологій від виплавки металу до одержання прецизійних труб з необхідними характеристиками. Не одержав широкого промислового застосування перспективний високопродуктивний процес волочіння на рухомій оправці, потенційні можливості якого в теоретичному та технологічному плані вивчені не в повній мірі. Вказані обставини змушують купувати холоднодеформовані прецизійні труби із чорних та кольорових металів за імпортом.

Важливою державною проблемою є раціональне використання вітчизняних сировинних ресурсів, у тому числі високоякісного кольорового металу оборонно-промислового комплексу у вигляді латунних гільз артилерійських пострілів. Такого металу накопичено в країні у великій кількості. Використання латунних гільз артилерійських пострілів як трубної заготовки та переробка такої нетрадиційної трубної заготовки (НТЗ) у прецизійні труби становить серйозну науково-технічну проблему.

Нові підходи до підвищення якості труб повинні базуватися, в першу чергу, на оптимізації технологічного процесу їх виробництва за рахунок стабілізації його основних параметрів і можливості їх своєчасного корегування.

З цих причин розробка ресурсозберігаючих технологій виробництва прецизійних труб із чорних і кольорових металів на базі розвитку теоретичних положень і технологічних режимів наскрізних технологічних процесів із застосуванням процесів волочіння є актуальною. Зокрема, такі розробки можуть бути основою ефективної роботи сучасних міні-виробництв.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з науково-технічною тематикою Державного науково-дослідного та конструкторсько-технологічного інституту трубної промисловості ім. Я.Ю.Осади Мінпромполітики України (ДТІ) (роботи ДР01890039675, ДР0186U018860, ДР0193U015281, ДР0193U015278, ДР0194U018296, ДР0194U018258, ДР0193U015279, ДР0193U015277, ДР0194U018277, ДР0194U018295, ДР0193U015300). Дослідження виконані в рамках низки державних цільових програм: “Мідь України” (постанова Кабінету Міністрів України від 10.05.95 №333), “Алюміній України” (постанова Кабінету Міністрів України від 09.12.93 №1033), “Титан України” (постанова Кабінету Міністрів України від 18.11.94 №783) та Комплексної програми розвитку кольорової металургії України на період до 2010 року (постанова Кабінету Міністрів України від 18.10.99 №1917). Автор був координуючим керівником та відповідальним виконавцем перелічених робіт.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка нових науково обґрунтованих наскрізних ресурсозберігаючих технологій промислового виробництва холоднодеформованих прецизійних труб із чорних і кольорових металів із застосуванням процесів волочіння та використанням зварної, безшовної і нетрадиційної (гільзи артилерійських пострілів) трубної заготовки.

Для досягнення наміченої мети було сформульовано й вирішено такі завдання:

1. Розроблено універсальні аналітичні вирази для визначення параметрів технологічного процесу виготовлення прецизійних труб із застосуванням процесів волочіння на рухомій та закріпленій оправках, а також без оправки.

2. Розроблено метод проектування маршрутів виготовлення прецизійних труб за наскрізними технологіями.

3. Науково обґрунтовано, розроблено та використано нові ефективні способи виготовлення прецизійних труб із застосуванням процесів волочіння.

4. Розроблено та впроваджено науково обґрунтовані наскрізні ресурсозберігаючі екологічно безпечні технології виробництва холоднодеформованих прецизійних труб із застосуванням процесів волочіння в умовах мобільних міні-виробництв.

Об'єкт дослідження. Процеси волочіння труб і наскрізні технології виготовлення холоднодеформованих прецизійних труб.

Предмет дослідження. Параметри процесів виготовлення холоднодеформованих прецизійних труб із чорних та кольорових металів, закономірності зміни цих параметрів, резерви підвищення ефективності виробництва холоднодеформованих труб, особливості створення та функціонування сучасних мобільних міні-виробництв холоднодеформованих прецизійних труб із застосуванням процесів волочіння.

Методи дослідження. У процесі досліджень використані основні положення теорії пластичності, фізики твердого тіла; теорії волочіння, у тому числі метод енергетичного балансу підведених та затрачуваних потужностей системи “метал, що деформується - робочий технологічний інструмент”; основи матеріалознавства та машинознавства. Застосовувалися новітні методи вимірів з використанням сучасної апаратури та обробки експериментальних даних.

Наукова новизна. Науковою новизною відзначаються результати теоретичних та експериментальних досліджень, які уперше одержані в дисертації:

1. Вперше для нестаціонарних процесів волочіння заготовки із змінними по довжині геометричними розмірами методом енергетичного балансу підведених та затрачуваних потужностей з чисельним методом рішення визначено енергосилові параметри деформації металу.

Отримані дані відрізняються від традиційних розрахунків коливанням значень параметрів по довжині заготовки. Вони дають можливість визначити критичні значення енергосилових параметрів.

2. Вперше одержані закономірності деформування нетрадиційної трубної заготовки зі змінними по довжині зовнішнім та внутрішнім діаметрами, а також товщиною стінки, на основі яких розроблено нові ресурсозберігаючі технології виробництва холоднодеформованих прецизійних труб із чорних і кольорових металів.

При нестаціонарних процесах волочіння нетрадиційної трубної заготовки (НТЗ) уперше визначено:

при волочінні без оправки

зміну розмірів осередку деформації з урахуванням зміни зовнішнього діаметра НТЗ;

зміну товщини стінки та внутрішнього діаметра труби в перерізі виходу із волоки;

зміну зусилля та напруження волочіння при редукуванні НТЗ;

при довгооправковому волочінні

зміну співвідношення довжини ділянки редукування та ділянки обтиснення стінки (показано, що воно перебуває в більш широкому діапазоні, ніж при стаціонарних (звичайних) умовах обтиснення);

вплив заднього натягу, який утворюється з боку зони редукування, на параметри процесу волочіння;

вплив комплексу факторів (коефіцієнта витяжки, показника сил тертя на оправці, кута конусності волоки, відношення діаметра до товщини стінки, співвідношення довжини зони редукування та зони обтиснення стінки) на величину напруження волочіння.

Результати цих досліджень дозволили розробити наскрізну технологію промислової переробки НТЗ у труби широкого сортаменту з використанням оптимальних деформаційних режимів.

3. Вперше виявлено закономірності зміни шорсткості внутрішньої поверхні труб при волочінні на оправці з урахуванням впливу характеристик поверхонь заготовки та інструменту, технологічних мастил і деформаційно-швидкісних параметрів, що є певним внеском у розвиток теорії волочіння.

Установлено, що ступінь зменшення шорсткості внутрішньої поверхні труби залежить в основному від дії сил контактного тертя між трубою та оправкою. Також визначено, що при збільшенні швидкості волочіння (обумовлюється термостійкістю технологічних мастил) інтервал значень ступенів відносної деформації, що відповідають максимальному зменшенню шорсткості, зміщується в бік менших значень. При цьому встановлено, що максимальне зменшення шорсткості досягається при деформації по товщині стінки в межах 20-27%.

4. Отримано нові дані експериментальних досліджень параметрів холодної деформації при виготовленні прецизійних труб з кольорових металів (Nb, Ta, V, Cu-Zn-Si) за наскрізними технологіями; визначено умови максимальної ефективності процесу термопластичного деформування труб.

Шляхом експерименту одержано параметри холодної деформації при виготовленні труб із ніобієвого сплаву системи Nb-Zr і танталу високої чистоти (разовий ступінь відносної холодної деформації в межах 30 - 40%; сумарний ступінь відносної деформації між термообробками 80 - 85%; при волочінні без оправки із разовим ступенем відносної деформації до 25%, на рухомій оправці - до 40%); ванадієвих сплавів системи V-Zr-C (при холодній деформації із застосуванням пільгерної прокатки із сумарним ступенем відносної деформації між термообробками до 90%) та системи V-Zr-C-Nb (разовий ступінь відносної холодної деформації до 35%, сумарний ступінь відносної холодної деформації між термообробками в межах 80 - 85%), латуні системи Сu-Zn-Si (сумарний ступінь відносної холодної деформації литого металу перед термообробкою до 60%, сумарний ступінь відносної холодної деформації між термообробками до 82%).

Сформульовано умови ефективного застосування процесу термопластичного деформування в частині розширення спектра матеріалів для виготовлення труб (тугоплавкі метали - цирконій, ніобій, тантал, молібден, вольфрам та інші; сталі аустенітного класу; ніхром) і розширення їх сортаменту (труби товстостінні, особливо товстостінні, з поздовжніми внутрішніми ребрами різної конфігурації та інші).

5. Вперше експериментально визначено величини критеріїв - критичного ступеня відносної холодної деформації до термообробки - для розрахунку уніфікованих розмірів трубної заготовки різного типу, у тому числі катаної, безперервнолитої, зварної, при виробництві прецизійних труб, що забезпечує одержання необхідних експлуатаційних характеристик готової продукції.

При застосуванні безперервнолитої трубної заготовки використовується критерій, який відповідає критичному ступеню відносної холодної деформації литого металу до термообробки. При застосуванні зварної трубної заготовки використовується критерій, який відповідає критичному ступеню відносної холодної деформації металу зварного шва до термообробки.

Нині, в основному, при виборі розмірів переробної трубної заготовки застосовується підхід, який передбачає використання як заготовки переробних труб, виходячи з існуючих типових розмірів калібровок агрегатів, на яких вони виготовляються.

Запропонований підхід дозволяє значно зменшити витратний коефіцієнт металу та цикличність при виробництві труб.

6. Вперше запропоновано метод проектування маршрутів виготовлення прецизійних труб за наскрізними технологіями, які розроблено з урахуванням виявлених закономірностей зміни параметрів процесів волочіння в різних умовах.

Суть методу полягає в побудові технологічного процесу за наскрізним принципом для гарантованого досягнення необхідного комплексу якісних показників готової продукції за рахунок можливості їх контролю та оперативного коригування відповідних технологічних (у першу чергу деформаційно-швидкісних) параметрів на всіх визначальних ділянках.

Запропонований підхід дає змогу: формувати технічні вимоги до готової продукції в рамках окремого блоку (модуля) і розподіляти їх по всьому технологічному ланцюзі; визначити уніфіковані розміри переробної трубної заготовки з урахуванням подальшої оптимізації деформаційно-швидкісних параметрів; оптимізувати режими (у тому числі деформаційно-швидкісні) кожної операції в рамках окремих блоків з урахуванням раціонального використання наявного технологічного обладнання.

7. Одержали подальший розвиток наукові основи для аналізу та визначення оптимальних параметрів технологічних процесів виготовлення прецизійних труб із чорних та кольорових металів із застосуванням нових способів волочіння без оправки, на рухомій та закріпленій оправках з використанням різного типу трубної заготовки.

При цьому враховано вплив: механічних властивостей металу труби та оправки, характеристики технологічних мастил, швидкості волочіння, геометричні розміри та шорсткість поверхні вихідної трубної заготовки і технологічного інструменту, а також найбільших деформацій.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нові технології виробництва прецизійних труб із чорних і кольорових металів з використанням зварної, безшовної і нетрадиційної трубної заготовки; запропоновано метод проектування наскрізних технологічних схем виготовлення прецизійних труб, у тому числі при проектуванні міні-виробництв для виготовлення дефіцитних видів труб із кольорових металів (мідь, латунь) в умовах ВАТ “Артемівський завод з обробки кольорових металів” (ВАТ “АЗОКМ”) та Дослідного заводу Державного трубного інституту (ДЗ ДТІ) (довідка Мінпромполітики України від 25 червня 2002 р. про використання результатів дисертаційної роботи).

Запропоновано новий комбінований спосіб переробки НТЗ у труби (патент України 18947), який базується на процесах волочіння (на рухомій оправці та без оправки) і є основою нової наскрізної ресурсозберігаючої технології виробництва прецизійних труб. Запропоновано нові способи волочіння на закріпленій оправці (А.с. 1811931,СРСР), які дозволять розширити сферу використання цього процесу при виготовленні нових видів прецизійних труб з поліпшеними якісними характеристиками (довідка Мінпромполітики України від 25 червня 2002 р. про використання результатів дисертаційної роботи).

Для волочіння труб із міді та латуні розроблено новий склад рідкого технологічного мастила ТС-МЛ (патент України 21973), яке пройшло випробування в умовах ВАТ “АЗОКМ” і ДЗ ДТІ при виготовленні труб з міді та латуні на самоустановній, рухомій та закріпленій оправках, а також без оправки і підтвердило свою високу ефективність. Застосування нового мастила дозволяє замінити дефіцитні імпортні мастила (зокрема, рицинову олію). На склад мастила ТС-МЛ оформлено токсикологічний паспорт, розроблено й оформлено технічні умови його використання ТУ 385901383-93 (довідка Мінпромполітики України від 25 червня 2002 р. про використання результатів дисертаційної роботи).

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено і упроваджено нові технології виробництва прецизійних труб широкого сортаменту з чорних та кольорових металів, а саме: довгомірних капілярних з корозієстійких сталей аустенітного класу; високоміцних товстостінних для трубопроводів високого тиску і тонкостінних малих діаметрів для алмазного інструменту з дисперсійно-твердіючого сплаву 36НХТЮ; з малим внутрішнім діаметром та поліпшеною якістю внутрішньої поверхні з корозієстійкої сталі; тонкостінних та капілярних з корозієстійкої сталі, тугоплавких металів (Ti, Nb, Тa, V) та сплавів на їх основі (довідка про упровадження ДЗ ДТІ від 17 червня 2002 р.).

З використанням теоретичних та експериментальних досліджень автора розроблено два технологічних завдання (ТЛЗ) на проектування спеціалізованих промислових дільниць (міні-виробництв) з виробництва гостродефіцитних видів труб з міді та латуні (ТЛЗ “Технология производства холоднодеформированных тонкостенных труб из цветных металлов для предприятий Украины на специализированном опытно-промышленном участке ОЗ ВНИТИ ”, протокол від 15 квітня 1993 р. та ТЛЗ “Технология производства холоднодеформированных тонкостенных и капиллярных труб из меди и латуни для предприятий Украины на специализированном участке Артемовского завода по обработке цветных металлов (концерн “АЗОМ ”)”, протокол від 28 квітня 1993 р.) (довідка Мінпромполітики України від 25 червня 2002 р. про використання результатів дисертаційної роботи).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співробітників, які сприяли виконанню роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані у співавторстві, автором дисертації розроблено основні теоретичні положення нових процесів, виконано практичні розрахунки та аналіз процесів волочіння труб, проаналізовано й узагальнено результати експериментів, розроблено основні інженерні рішення. Автор брав безпосередню участь в організації і проведенні експериментів та упровадженні розробок у виробництво. Основні наукові результати отримані автором самостійно в ході досліджень, експериментально-промислових випробувань, а також при виконанні робіт, які здійснювалися під його безпосереднім науковим керівництвом. Всі теоретичні узагальнення виконані самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації обговорені та схвалені на 5-й Міжнародній науково-технічній конференції на тему: “Теоретичні проблеми прокатного виробництва” Національної металургійної академії України (м.Дніпропетровськ, 2000), на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи одержання конкурентоспроможної продукції в гірничо-металургійному комплексі України” Національної металургійної академії України (2000), на Міжнародній науково-практичній конференції “Науково-технічний потенціал Державного трубного інституту - на службі авіаційної, суднобудівної промисловості та атомної енергетики” (м. Дніпропетровськ, 2002), на Міжнародній науково-практичній конференції “Від перехідної економіки - до сталого розвитку” (м.Дніпропетровськ, 2000), на Петербурзькому економічному форумі (м.Санкт-Петербург, 2001), науково-технічній конференції “Нові технологічні процеси й устаткування для одержання моно- і багатошарових профілів і стрічок із порошкових, литих і пластично деформованих матеріалів” (м. Сочі, 1991), на 1-й, 2-й та 3-й науково-практичних конференціях з проблем удосконалення виробництва й експлуатації трубної продукції “Трубокон” (ВАТ “Нижньодніпровський трубопрокатний завод”, м. Дніпропетровськ, 2000, 2001, 2002), на 5-му Пленумі-конференції Спілки економістів України “Реформування промисловості України. Погляд у ХХІ століття” (м.Київ, 2001), на 2-й науково-практичній конференції “Стратегія, завдання та організація науково-технічного розвитку гірничо-металургійного комплексу України” (Національна металургійна академія України, м.Дніпропетровськ, 2001), на засіданнях науково-технічної ради Державного трубного інституту (ДТІ) (м. Дніпропетровськ, 1993, 1994, 1995, 2002), об'єднаному науковому семінарі “Обробка металів тиском” Національної металургійної академії України (м.Дніпропетровськ, 1994, 1995, 1996, 1998, 2002), галузевих координаційних нарадах за науково-технічним напрямом “Виробництво напівфабрикатів (труб, прутків, профілів, дроту) із кольорових металів методами відцентрового лиття, пресування, кування, прокатки, волочіння, глибокої витяжки і штампування” ДТІ, м. Дніпропетровськ, 1993, 1994), у Науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті титану (м. Запоріжжя, 1992), у Донецькому інституті кольорових металів (м.Донецьк, 1993), Українському науково-дослідному і проектному інституті кольорових металів і сплавів (м.Артемівськ, 1995).

2. Основний зміст роботи

Прецизійні труби: стан, проблеми та перспективи їх виробництва

Технічний прогрес у машинобудуванні, електротехніці, автомобілебудуванні, радіоелектроніці, авіаційній, ракетній, атомній і космічній техніці, приладобудуванні безпосередньо пов'язаний із застосуванням прецизійних труб з якісних сталей, кольорових металів та їх сплавів.

У господарському комплексі України в найближчі роки передбачається використання в значних обсягах прецизійних труб з кольорових металів і сплавів на їх основі, а також із високоякісних сталей і сплавів у діапазоні розмірів 40...0,3 х 2,8...0,017 мм.

Порівняльний аналіз існуючих технологій виробництва труб та їх якості, стандартів СНД (ГОСТ, ТУ) і розвинених іноземних держав (Німеччина - DIN, США - ASTM, Франція - MFA, Японія - JISH, Польща - PNH й ін.) показав, що тільки незначна кількість видів труб, які виготовляються в Україні та інших країнах СНД, за комплексом якісних показників відповідає світовим вимогам. Наприклад, труби виробництва Російської Федерації (серед них тонкостінні і капілярні труби з міді і латуні, труби з безкисневої міді, профільні труби з міді і латуні) відповідають світовим стандартам, споживаються в Україні в значних обсягах, проте на цей час в промислових умовах не виготовляються .

Одним з джерел одержання цілої низки кольорових металів є різноманітні відходи промислових підприємств. Значні обсяги кольорових металів і сплавів на їх основі вивільняються при конверсійних процесах. У країнах СНД, і в першу чергу в Україні, існує проблема переробки в труби значних накопичень гільз артилерійських пострілів із латуні марок Л63, Л72, ЛК 75-05 і сталі 11ЮА (у подальшому - нетрадиційної трубної заготовки).

Латунна гільза - це тонкостінний циліндричний стакан з масивною (до 50% загальної маси гільзи) донною частиною і перемінним перерізом корпусу (як за товщиною стінки, так і за внутрішнім і зовнішнім діаметром по всій довжині), тобто із зовнішнім і внутрішнім конусами. Коливання товщини стінки по довжині спостерігається на різних калібрах від 1 мм (мінімальне) до 8 мм (максимальне). Довжина гільз коливається (для різних калібрів) від 140 до 695 мм.

3. Теоретичні дослідження нових процесів волочіння труб

Протягом значного часу в міру підвищення експлуатаційних вимог до труб та виділення особливої категорії труб - прецизійних розвивалися теоретичні та технологічні основи їх виробництва.

Значний внесок у розвиток цього пріоритетного науково-технічного напряму зробила низка вчених та спеціалістів, представників різних наукових шкіл. Серед них: московська школа - С.І. Губкін, Л.Ю. Альшевський, І.Л. Перлін, Ю.Ф. Шевакін, Ф.С. Сейдалієв, М.З. Єрманок та інші; уральська школа - В.Л. Колмогоров, В.І. Уральський, О.О. Богатов, Г.О. Смирнов-Аляєв та інші; дніпропетровська школа - Я.Ю. Осада, П.І. Орро, М.Б. Рогов, М.В. Попов, Є.Д. Кузнєцов, М.Д. Медвінський, О.О. Динник, А.В. Аранович, Г.О. Савін та інші; німецька школа - О. Павельскі, О. Армштоф та інші.

До основних параметрів, які суттєво впливають на технологічний процес виготовлення прецизійних труб широкого сортаменту із чорних та кольорових металів із застосуванням процесу волочіння на оправці, у першу чергу на рухомій, належать: характеристики вихідного металу; характеристики технологічних мастил; геометричні параметри та якість поверхонь вихідної трубної заготовки; характеристики волочильного інструменту - волок та оправок (геометричні параметри та шорсткість поверхні); деформаційно-швидкісні параметри (коефіцієнт витяжки, напруження волочіння, зусилля волочіння, контактний тиск на волоку та оправку тощо); умови деформування (наявність позаконтактних зон) та інші.

Відомі аналітичні вирази, які використовуються нині для визначення параметрів волочіння труб, мають розрізнений характер, обмежену сферу застосування, зокрема вони не ураховують умов нестаціонарного процесу волочіння, не завжди ураховують параметри процесу, дуже складні при проведенні інженерних розрахунків у практичних умовах.

Виконані в роботі теоретичні дослідження спрямовані на розробку адекватних засобів для аналітичного визначення параметрів процесів волочіння. у тому числі в нестаціонарних умовах, які легко адаптуються і максимально ураховують умови реального виробництва.

Нестаціонарний процес деформування волочінням нетрадиційної трубної заготовки. На першому етапі переробки НТЗ використовується процес безоправкового волочіння (редукування) заготовок.

Основним практичним питанням при безоправковій деформації труб по діаметру є визначення зміни товщини стінки. Більшість відомих залежностей (М.М. Лебедєва, В.В. Швейкіна і Г.Я. Гуна, М.М. Бернштейна) для визначення зміни товщини стінки при редукуванні є емпіричними.

Використовуючи формулу М.М.Бернштейна для характеристики співвідношення осьового напруження та середнього значення межі текучості металу в осередку деформації, враховуючи при цьому співвідношення радіальної та осьової деформації, одержано універсальну формулу для розрахунку відносної зміни товщини стінки труби в процесі редукування (як потовщення, так і потоншення):

а) через одну волоку

(1)

Установлено, що при значенні відбувається потовщення стінки, і наведену формулу використовують зі знаком “мінус”. При відбувається потоншення стінки, і у формулі потрібно використовувати знак “плюс”.

б) через дві волоки й більше (при умові рівної абсолютної деформації по діаметру в першій та другій волоках):

,

де зовнішній діаметр і товщина стінки заготовки; зовнішній діаметр труби після редукування; - кут конусності волоки; - коефіцієнт тертя на поверхні волоки.

Аналогічно при необхідності можна визначити залежність для волочіння через три й більше волок. Розрахунки показують, що при волочінні через дві волоки в останній може спостерігатися потоншення стінки навіть у тонкостінних труб. Умовою цього є

.

При рівному розподілі редукування між волоками це досягається при деформації

.

Збільшення ефекту потоншення стінки також досягається при зменшенні кута б та збільшенні довжини калібруючого пояска.

Процес редукування при змінній величині зовнішнього і внутрішнього діаметрів, а також товщини стінки по довжині НТЗ є нестаціонарним. У процесі редукування змінюється довжина осередку деформації в результаті зміни зовнішнього діаметра заготовки. У перерізі виходу з волоки при постійному зовнішньому діаметрі змінюються товщина стінки і внутрішній діаметр труби. Змінюється також коефіцієнт витяжки у процесі редукування, що утруднює визначення товщини стінки в різних перерізах труби після волочіння.

Для нестаціонарного процесу редукування запропоновано алгоритм розрахунку процесу формозмінення, оснований на поділі заготовки по довжині на елементарні ділянки. Це дозволяє визначити розміри елементів відповідно до заданої геометрії заготовки і знехтувати змінами діаметра і товщини стінки в межах кожного елемента. Коефіцієнт витяжки і товщина стінки елементів труби після волочіння визначаються з використанням формули (1) на ЕОМ за програмою, що реалізує розроблений алгоритм розрахунку.

Для визначення зусилля і напруження при нестаціонарному процесі безоправкового волочіння використано метод енергетичного балансу осередку деформації при змінній величині складових деформації, змінних величинах об'єму і довжини осередку деформації. Отримані рішення дозволяють також визначити граничні умови процесу довгооправкового волочіння, який включає ділянку редукування.

Використовуючи отримані рішення, можна керувати зміною товщини стінки труби при вільному зменшенні діаметра в достатньо широкому діапазоні значень. Крім цього, можна практично виправляти брак по товщині стінки (зменшуючи чи збільшуючи потовщення).

На другому етапі переробки НТЗ процес довгооправкового волочіння також є нестаціонарним через внутрішню конусність вихідної заготовки. При постійних розмірах перерізу труби на виході з волоки межі осередку деформації і співвідношення довжин ділянки редукування і ділянки обтиснення стінки на оправці є змінними. Оскільки геометричні параметри труби, одержаної після волочіння, є стаціонарними, залишається визначити величину максимального напруження (зусилля) волочіння в трубі та оправці в момент формування максимальної величини ділянки обтиснення стінки з урахуванням впливу зони редукування. Особливістю волочіння НТЗ є можливість зміни в процесі волочіння співвідношення довжин ділянки редукування і ділянки обтиснення стінки в значно ширшому діапазоні, ніж при звичайних режимах деформації при довгооправковому волочінні. Це пояснюється обмеженням діаметра оправки величиною мінімального внутрішнього діаметра заготовки при наявності внутрішньої конусності. У зв'язку з цим доцільно проаналізувати процес довгооправкового волочіння за умови повної відсутності зони редукування, визначивши вплив різних факторів на процес обтиснення стінки на оправці.

Для аналізу використано відомий метод енергетичного балансу підведених та затрачуваних потужностей. Рівняння енергетичного балансу при довгооправковому волочінні має такий вигляд:

N_в.тр+ N_в.опр.= N_ф + N_тр.в + N_тр.о + N_ср. + N_зад , (2)

де N_в.тр, N_{в.опр._-} потужності проволочування труби та оправки; N_ф - потужність формозмінення;

N_тр.в, N_тр.о - потужності тертя на поверхнях контакту труби з волокою та з oправкою;

N_ср. - сумарна потужність зрізу в перехідних перерізах осередку деформації;

N_зад - потужність сил заднього натягу.

Оскільки потужність волочіння труби можна виразити через напруження волочіння _вол, площу перерізу труби на виході із волоки F₁ і швидкість волочіння V₁, то рівняння (2) може бути вирішене відносно _вол, якщо буде визначена решта складових енергетичного балансу.

При визначенні складових енергетичного балансу напруження тертя виражене за умовою Зібеля: = f2k (f - показник сил тертя; k - напруження пластичного зсуву).

Ураховано зміцнення матеріалу у процесі волочіння (для латуні марки Л62 2k_x=147 + 30,4100 ^0,65 . (1 - 1/_x)^0,65, _x - поточне значення коефіцієнта витяжки, яке визначається в кожному перерізі осередку деформації).

Потужність проволочування оправки визначається сумою сил тертя на контактній поверхні F_k.o. труби з оправкою у зоні обтиснення:

N_в.опр.= V_1оdF_k.o. . (3)

Основною складовою у балансі потужностей осередку деформації є потужність формозмінення об'єму металу, замкнутого в осередку деформації:

N_ф = k_xH_xdV . (4)

Інтенсивність дотичних напружень k_x та інтенсивність швидкостей деформацій зсуву H_x є змінними величинами в осередку деформації. При заданих розмірах діаметра D₀ і товщини стінки заготовки S₀, заданому діаметрі оправки d_опр, діаметрі D_тр або товщин стінки S_тр, при заданому куті конусності волоки умови деформування будуть повністю визначені. Радіальна деформація , тангенціальна деформація і поздовжня деформація визначаються виразами:

; = ln; .

Швидкість поздовжньої деформації дорівнює і може бути визначена чисельним методом при поділі осередку деформації на елементи. При відомому співвідношенні деформацій , і визначеним також є співвідношення між швидкостями деформацій та інтенсивністю швидкостей деформацій H_x.

Потужність тертя металу на контакті з волокою дорівнює:

N_тр.в.=_вV_ск.xdF_к.в. , (5)

де _в=f_в2k_x - змінне напруження тертя на контакті з волокою;

V_ск.х - змінна швидкість ковзання на контакті з волокою;

F_к.в. - площа контакту труби з волокою.

Аналогічно визначається потужність тертя металу на контакті з оправкою:

N_тр.о.=_оV_ск.оdF_к.о. , (6)

де _о = f₀2k_x - змінне напруження тертя на контакті з оправкою.

Сумарна потужність зрізу складається з потужності зрізу в перерізі входу труби в зону обтиснення N_ср.0 і потужності зрізу N_ср.1 у перерізі виходу труби із зони обтиснення:

N_ср.0=k_xV₀tg(d_опрS₀+S₀²)/2 ; (7)

N_ср.1=k_xV₁tg(d_опрS₁+S₁²)/2 , (8)

де V_{0 ,} V₁ - швидкості поздовжнього переміщення точок труби в осередку деформації.

При наявності зони редукування на вході зони обтиснення діятиме зусилля заднього натягу Q_зад, яке створює напруження q_зад:

q_зад = . (9)

Потужність заднього натягу дорівнюватиме:

N_зад = Q_задV₀. (10)

Усі складові енергетичного балансу визначаються чисельним методом з використанням розробленої програми розрахунків на ЕОМ. Проведені розрахунки дозволили встановити вплив деяких факторів на величину напруження волочіння.

Наявність калібруючого пояска додатково збільшує напруження волочіння. Приріст напруження волочіння залежить від довжини калібруючого пояска і практично не перевищує 5…8%.

Розвиток процесу термопластичного деформування труб. Відомо, що при спільному нагріванні труби та оправки виникає збільшення лінійних розмірів оправки за всіма напрямами, більш інтенсивне, ніж збільшення розмірів труби, тому одночасно протікають три процеси: збільшення внутрішнього діаметра труби (термороздача - о^т_d), деформація стінки труби (термопластичне деформування стінки труби - о^т_s) і поздовжнє розтягування труби оправкою (о^т_?), тобто протікає комплексне термопластичне деформування труби.

Показано, що для групи матеріалів з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР) (молібден, вольфрам, цирконій та інші) необхідно використовувати оправки із співвідношенням ТКЛР матеріалів оправки і труби (б_о/б₁) не менше ніж 1,2 і співвідношенням межі міцності (у_во/у_вт) відповідно не менше ніж 1,5 (для різних матеріалів). Цим умовам відповідають оправки, виготовлені із нікелевмісних і дисперсійно-твердіючих сплавів. Для корозієстійких сталей аустенітного класу, ніхрому, сплавів на основі ніобію і танталу доцільно використовувати оправки із високомарганцевистих прецизійних сплавів, які мають ТКЛР в межах (25 - 30) х 10^-6 1/град.

Визначені шляхи подальшого розвитку процесу термопластичного деформування прецизійних труб на довгій оправці. Запропонована зона застосування процесу термопластичного деформування як в частині розширення спектра матеріалів для виготовлення труб, так і в частині розширення їх сортаменту. Запропоновано концепцію створення сучасних спеціалізованих високопродуктивних волочильних станів, які працюють за принципом локальної поточної лінії. Розглянуто нові технологічні процеси і технологічні схеми виготовлення нових видів прецизійних труб з урахуванням трьох основних стадій процесу.

Закономірності зміни шорсткості поверхні труб. При дослідженні закономірностей зміни шорсткості внутрішньої поверхні прецизійних труб враховувалися основні положення, наведені у працях В.Л. Мазура, М.М. Саф'яна та ін., І.М. Павлова і П.І. Давидкова; Є.Д.Кузнєцова, Є. Філдера, Т. Міцуко, а також результати експериментів, які проводилися в ДТІ.

У процесах волочіння на оправці утворюються та існують одночасно “вільні” і “зв'язані” поверхні.

В осередку деформації при волочінні труб виникають ділянки стиснення і розтягування металу, при цьому відмічається різна інтенсивність зміни шорсткості поверхні труби. При вільному стисненні спостерігається інтенсивне збільшення шорсткості, при вільному розтягуванні - її зменшення. Причому інтенсивність зміни шорсткості в першому випадку більша, ніж у другому. При “вільній” деформації зміна величини шорсткості супроводжується зміною форми мікропрофілю поверхні. Так, біля поверхні, деформованої розтягненням, мікронерівності мають більш пологі кути нахилу та меншу густину мікровиступів, ніж біля поверхонь, деформованих стисненням.

Велике значення має вихідний фізичний стан металу, що деформується, його структурні параметри на макро- і мікрорівні (величина й форма зерна, однорідність структури, розміри і розподіл частинок другої фази), мікрорельєф поверхні. При цьому метал за сукупністю параметрів, що характеризують його фізичний стан, повинен бути однорідним. Важливими питаннями є якість контактної поверхні технологічного інструменту (волоки, оправки), ефективність технологічного мастила (в'язкість, відношення до металу, що деформується, його кількість в осередку деформації), деформаційно-швидкісні параметри процесів волочіння.

Таким чином визначився комплекс взаємопов'язаних факторів, які прямо або побічно впливають на зміну шорсткості внутрішньої поверхні.

У результаті пластичної деформації поверхневого шару металу товщиною більш ніж R_max (найбільша висота нерівностей профілю за ГОСТ 2789-73) на величину, сумірну з величиною пружної деформації, утвореної силами тертя, відбувається зміна шорсткості поверхні. У процесі деформації інтенсивно зміцнюється метал на мікровиступах, що не дозволяє суттєво знизити шорсткість за один прохід волочіння, тому необхідно декілька (2-3) проходів.

Маршрут волочіння повинен бути розрахований так, щоб обтиснення по товщині стінки е_s було більшим від обтиснення по діаметру е_d (е_s/е_d > 1,0). Крім цього, від першого до останнього проходу волочіння величина е_s/е_d повинна збільшуватися.

При визначенні вимог до вихідної шорсткості трубної заготовки доцільно опиратися на такі міркування: шорсткість поверхні труб зменшується тільки при волочінні на оправці, всі інші технологічні операції (термообробка, правка, травлення, знежирювання і т. ін.) призводять до збільшення шорсткості. При цьому зменшення шорсткості поверхні не повинно спричиняти збільшення циклічності виробництва.

Визначення критеріїв для розрахунку уніфікованих розмірів трубної заготовки для виробництва прецизійних труб. Усі вимоги до труб-заготовок повинні бути взаємно пов'язані з вимогами до готових прецизійних труб щодо хімічного складу, сортаменту, шорсткості поверхні та інших параметрів з урахуванням застосування мінімуму операцій і мінімальної трудомісткості при подальшій холодній деформації, тобто повинен ураховуватися критерій найбільш дешевої заготовки ([К_min]_ц).

Нині утримується тенденція до зменшення об'ємів застосування холодної обробки тиском. При цьому за критерій пропонується взяти критичний ступінь відносної деформації [E_кр.]_х. У цьому випадку ступінь деформації металу конкретного хімічного складу за прохід не повинен бути меншим від цієї величини для уникнення росту зерна при наступному рекристалізаційному відпалюванні.

Основним критерієм для розрахунку уніфікованих розмірів безперервнолитої трубної заготовки з точки зору необхідності одержання потрібної дрібнозернистої структури запропоновано критичний ступінь відносної деформації [E_кр.]_л вихідного литого металу в холодному стані до першої термообробки.

Для усунення структурної неоднорідності зварної труби-заготовки в зонах зварного шва та основного металу необхідно застосовувати холодну деформацію на оправці з визначеним ступенем деформації, в основному по товщині стінки труби. У цьому випадку за критерій вибрано критичний ступінь відносної деформації [E_кр.]_зв. у холодному стані. Результати досліджень показали, що для здрібнення зерен у зоні шва залежно від матеріалу труби ця величина повинна бути в межах 25-30%.

Особливе місце при виготовленні латунних труб широкого сортаменту займає використання нетрадиційної трубної заготовки (гільз артилерійських пострілів), номенклатура яких нараховує більш ніж 12 калібрів. Нетрадиційні трубні заготовки вже уніфіковані за своєю природою і дискретно відрізняються між собою геометричними параметрами і масою. Корпус гільзи являє собою особливо тонкостінний двоконусний стакан.

Метод побудови технологічних маршрутів виготовлення прецизійних труб за наскрізними ресурсозберігаючими технологіями. Структуру наскрізного технологічного процесу можна подати у вигляді декількох завершених технологічних блоків-модулів:

Перший блок - виплавка вихідного металу. Визначає якість металу, його чистоту, вміст шкідливих домішок і т. ін.

Другий блок - виготовлення заготовки (злитка). Визначає геометричні розміри і якість вихідних заготовок, що піддаються в подальшому різним способам обробки тиском.

Третій блок - одержання переробної заготовки уніфікованих розмірів. Передбачає переробку вихідної заготовки в переробну, що максимально наближається за геометричними розмірами до готової продукції.

Четвертий блок - виготовлення прецизійних труб. Передбачає деформаційні цикли із застосуванням допоміжних технологічних операцій при виготовленні товарних труб широкого сортаменту.

П'ятий блок - застосування спеціальних процесів для досягнення необхідних експлуатаційних властивостей продукції. Визначає комплекс спеціальних вимог, що висувають споживачі.

Для реалізації наскрізної технології при виготовленні прецизійних труб запропоновано метод побудови наскрізних технологічних маршрутів з урахуванням сукупності основних і допоміжних операцій (блоки I-V), яким піддається метал у процесі виробництва необхідних виробів із заданими експлуатаційними характеристиками.

При проектуванні наскрізного технологічного маршруту у першу чергу необхідно визначити схему наскрізного технологічного процесу, тобто встановити сутність і послідовність операцій, яким піддається метал по всьому технологічному ланцюгу (блоки I-V). Після цього визначається режим кожної операції в рамках окремих блоків (модулів).

...