Розробка та освоєння маловідходної технології виготовлення сталевих балонів способом гарячої закатки

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА ОСВОЄННЯ МАЛОВІДХОДНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

ВИГОТОВЛЕННЯ СТАЛЕВИХ БАЛОНІВ СПОСОБОМ

ГАРЯЧОЇ ЗАКАТКИ

Іванов Анатолій Іванович

Спеціальність 05.03.05 "Процеси та машини обробки тиском"

Дніпропетровськ - 2003

Анотація

Іванов А.І. Розробка та освоєння маловідходної технології виготовлення сталевих балонів способом гарячої закатки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - "Процеси та машини обробки тиском". - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертацію присвячено питанням зменшення витрат металу при виробництві безшовних сталевих газових балонів високого тиску.

У роботі обгрунтовано вибір способу виготовлення балонів малого та середнього об`єму із труб гарячою закаткою днищ та горловин, що забезпечує зниження витрат металу в порівнянні з іншими способами. Запропоновано методику визначення оптимального режиму деформації та величини осьового підпору під час закатки і методику визначення основних параметрів балонів, що дозволяє зменшити їх металоємкість.

Розроблено і освоєно нові маловідходні технологічні процеси виготовлення способом тангенціальної закатки мікролітражних балонів з послідовним формозміненням кінця заготовки у днище, зрізаний конус і горловину і способом закатки поворотним інструментом тертя сковзання балонів малого об`єму зі зменшеною ступінню редукування горловин і полегшених тонкостінних балонів середнього об`єму.

Ключові слова: балон, витрати металу, спосіб виготовлення, закатка, режим деформації, калібровка інструменту, металоємкість.

Аннотация

Иванов А.И. Разработка и освоение малоотходной технологии изготовления стальных баллонов способом горячей закатки. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - "Процессы и машины обработки давлением". - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена вопросам уменьшения расхода металла при производстве бесшовных стальных газовых баллонов высокого давления.

На основании результатов исследования металла при изготовлении баллонов тремя применяемыми в настоящее время способами: из бесшовных труб закаткой днищ и горловин; из сплошной заготовки прошивкой и протяжкой на прессах и из листа многооперационной холодной глубокой вытяжкой для организации в Украине производства баллонов малого и среднего объёма выбран способ их изготовления из труб закаткой днищ и горловин поворотным инструментом трения скольжения.

На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований получена формула для определения предельно допустимой тангенциальной деформации - важнейшего параметра, характеризующего режим деформации для обеспечения стабильного процесса без потери устойчивости заготовки в поперечном направлении.

С использованием этой методики разработана новая технология закатки с переменной угловой скоростью перемещения деформирующего инструмента, увеличивающейся на заключительной стадии процесса.

В результате экспериментальных исследований установлено условие закатки без потери устойчивости заготовки в осевом направлении: величина осевого усилия, действующего на торец горловины не должна превышать значения, определяемого произведением допускаемого напряжения для материала баллона при температуре деформации на площадь поперечного сечения заготовки.

Для уменьшения расхода металла, при изготовлении микролитражных баллонов с уменьшенной степенью редуцирования при изготовлении горловин, разработана новая технология тангенциальной закатки с последовательным формоизменением конца заготовки в днище, усечённый конус и горловину и калибровка инструмента.

Сопоставление результатов теоретического анализа и экспериментальных исследований по испытанию баллонов до полного разрушения позволило усовершенствовать методику определения основных параметров баллонов с уменьшением их металлоемкости за счет оптимизации расчета толщины стенки баллонов и выбора величины их наружного диаметра.

Основные рекомендации работы использованы при разработке и освоении новых малоотходных технологических процессов изготовления микролитражных баллонов, баллонов малого объема с уменьшенной степенью редуцирования при закатке горловин и облегченных тонкостенных баллонов среднего объёма.

Ключевые слова: баллон, расход металла, способ изготовления, закатка, режим деформации, калибровка инструмента, металлоемкость.

Summary

Ivanov A.I. Working and putting into production a low-loss technology of producing of steel cylinders by the method of hot spinning. - Manuscript.

The thesis for a degree of candidate of technical sciences in speciality 05.03.05 - "Processes and machines of mechanical treatment by pressure".- National metallurgical academy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2003.

The thesis is devoted to the problem of reduction of metal consumption in the production of seamless steel high pressure gas cylinders. In this work, devated to the method of producing cylinders of small and middle size from tubes by hot spinning of bottoms and necks, that provides reduction of metal consumption with other methods has been substantiated. A method of determination of optimum conditions of deformation and the size of an axial force in spinning and a method of determination of the main parameters of cylinders, that enable to reduce their metal weight were proposed. New low-loss technological processes of producing by the method of tangential spinning of microlitre cylinders with a subsequent rashaping of the end of the billet into the cylinder bottom, truncated cone and neck and the method of spinning with the help of a rotatory glide friction tool and of cylinders of a small size with a smaller of reduction of necks and light-weight thinwalled cylinders of a middle size were worked out and put into production.

Key words: cylinder metal consumption, method of production, tool dezign, regim of deformation metal weight.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Безшовні сталеві балони для зберігання і транспортування газів під високим тиском - один із важливих видів металопродукції відповідального призначення - застосовуються в усіх галузях промислового та сільськогосподарського виробництва, в протипожежній техніці і медицині. Через відсутність в Україні власного промислового виробництва балонів малого об`єму (1,0…12 л) потреба в них задовольнялася шляхом закупівлі за імпортом, у першу чергу, для засобів протипожежної техніки. З метою економії рідкого моторного палива та поліпшення екологічних умов Постановою Кабінету Міністрів України від 10.07.1997 р. № 731 "Про комплексні заходи щодо реалізації Національної енергетичної програми України до 2010 року" передбачено розширення застосування стиснутого природного газу як моторного палива для газобалонних автомобілів з використанням нових видів полегшених безшовних балонів середнього об`єму (до 50 л).

У зв`язку з цим необхідно організувати виробництво вказаних балонів, у яких співвідношення діаметру і товщини стінки D/S складає 45…50, а співвідношення діаметрів горловини і балону d_г/D 0,3…0,7. Проте, існуючі технології виготовлення балонів деформацією кінців трубчастих заготовок способом гарячої закатки дозволяють виготовляти балони з D/S не більше 35 і d_г/D не більше 0,2. Тому робота, що направлена на розробку і освоєння нових маловідходних технологічних процесів виготовлення тонкостінних полегшених балонів удосконаленої конструкції - є актуальною.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов`язано з тематичними планами науково-дослідних робіт Державного трубного інституту ім. Я.Ю. Осади. Дослідження виконано в рамках госпдоговорних науково-дослідних робіт № 0197U002268, 0197U015975, 0101U011246, 0196U004177, в яких автор був керівником, і держбюджетної роботи 01870015520, в якій автор був відповідальним виконавцем. Робота безпосередньо пов`язана з виконанням теми "Розробка технології і виготовлення партії особливо легких безшовних сталевих балонів для автобусів та легкових автомобілів" розділу 2.3.6.4 Державної науково-технічної програми "Економія палива і раціональне використання пально-мастильних матеріалів" і завдань Міждержавної програми "Использование природного газа в качестве моторного топлива для автотранспортних средств на 2001-2005 годы", що затверджені Економічною радою СНД 16.03.2001р.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи була оцінка основних шляхів зменшення витрат металу при виготовленні безшовних сталевих газових балонів високого тиску різними способами зі зменшенням іх металоємкості, обгрунтування методики визначення основних технологічних параметрів на базі вивчення граничних умов деформації балонної заготовки і закономірностей спливу металу під час гарячої закатки днищ та горловин балонів інструментом тертя ковзання.

Для досягнення поставленої мети визначені та вирішені наступні задачі:

- вибір принципової технологічної схеми виготовлення балонів малого та середнього об`єму на базі порівняльної оцінки витрат металу при виробництві балонів різними способами;

- теоретичне обгрунтування визначення граничних умов редукування трубчастої заготовки зі зменшеною товщиною стінки - основного параметру, що визначає режим гарячої деформації під час закатки;

- теоретичне та експериментальне обгрунтування можливості зниження витрат металу за рахунок зменшення металоємкості балонів;

- розробка маловідходних технологій виготовлення балонів малого об`єму для протипожежної техніки та полегшених автомобільних балонів середнього об`єму і упровадження їх у виробництво.

Об`єкт дослідження. Процеси обробки металів тиском при виготовленні сталевих безшовних газових балонів різними способами з деформацією кінців трубчастих заготовок шляхом гарячої закатки днищ та горловин інструментом тертя ковзання.

Предмет дослідження. Технологічні параметри у процесах гарячої закатки кінців трубчастих заготовок і калібровка деформуючого інструменту.

Методи дослідження. В основу роботи покладено фундаментальні положення теорії обробки металів тиском. Експериментальні методи дослідження включали фізичне моделювання у лабораторних умовах для дослідження спливу металу під час закатки, методи тензометрії для визначення величини напружень у сферичних частинах балонів, замір геометричних параметрів і визначення механічних властивостей металу балонів.

Наукова новизна. До основних наукових положень і результатів, що отримані вперше, можна віднести:

1. Вперше одержано теоретичну залежність для визначення гранично допустимої тангенціальної деформації, за якою відсутня втрата стійкості тонкостінної заготовки під час закатки.

Існуючі рекомендації, що базуються на емпіричних залежностях, не враховують співвідношення діаметру і товщини стінки балонної заготовки. Запропонована в роботі формула дозволяє визначити оптимальне значення гранично допустимої тангенціальної деформації для балонів будь-якого розміру і забезпечити 2…3% економії металу за рахунок зменшення відбраковки через втрату стійкості заготовки у поперечному напрямку.

2. Експериментально встановлено, що під час закатки поворотним інструментом тертя ковзання довжина ділянки заготовки, що іде на виготовлення горловини, відповідає довжині горловини, виходячи з чого із використанням закону сталості об'єму металу, що деформується, вперше одержано теоретичну залежність для визначення граничних умов необхідності осьового підпору.

Раніше такі дані не були відомі. Одержана формула дозволяє залежно від діаметру балона і розмірів горловини визначити граничну величину товщини стінки балонної заготовки, за якої необхідно здійснювати осьовий підпір, що дає можливість використовувати для виготовлення балонів труби з меншою товщиною стінки (економія металу 8…10%).

3. Вперше установлена можливість закатки балонів поворотним інструментом тертя ковзання зі змінною кутовою швидкістю переміщення формуючого інструменту.

Існуючі технології виготовлення балонів передбачають закатку кінців трубчастих заготовок із постійною кутовою швидкістю переміщення формуючого інструменту. Використання розробленого положення про можливість закатки зі змінною кутовою швидкістю дозволило розробити технологію одноопераційної закатки тонкостінних заготовок із співвідношенням діаметру і товщини стінки до 50, відповідно якій на заключній стадії процесу кутова швидкість збільшується у 1,5…2 рази. Це, у свою чергу, дозволяє вести високопродуктивну закатку без втрати стійкості заготовки.

4. Вперше установлено, що при тангенціальній закатці інструментом тертя ковзання форма лінії скручування твірної закатаного кінця трубчастої заготовки достатньо точно описується рівнянням епіциклоїди.

У теперішній час величина припуску - довжина ділянки заготовки, що необхідна для виготовлення днища або горловини, визначається емпіричним шляхом. Оскільки довжина лінії скручування твірної заготовки практично дорівнює величині припуску, положення про те, що форма лінії скручування описується рівнянням епіциклоїди, дозволяє замість емпіричного підходу до визначення величини припуску розраховувати її у залежності від розмірів заготовки (економія металу 1...3%).

Практична цінність отриманих результатів. Дослідження процесу закатки кінців трубчастих заготовок дозволили:

1. Провести розрахунок оптимального режиму закатки з визначенням гранично допустимої величини тангенціальної деформації і на основі розрахунку розробити новий спосіб закатки із змінною кутовою швидкістю переміщення формуючого інструменту.

2. Провести розрахунок основних елементів робочої поверхні інструменту для закатки горловин і розробити нову калібровку формуючого інструменту.

3. Розробити методику визначення величини припуску заготовки при виготовленні днищ і горловин.

4. Розробити та освоїти нові маловідходні технологічні процеси виготовлення балонів малого об'єму на ЗАТ ДСП "Пожтехніка" (акт від 20.04.1995 р.), на спеціалізованій виробничій дільниці Державного трубного інституту ім. Я.Ю. Осади (акт від 11.04.2000 р.), полегшених автомобільних балонів на ВАТ "Бердичівський машинобудівний завод "Прогрес" (акт від 29.03.2001 р.) у вигляді технологічних завдань на проектування виробничих потужностей ТЛЗ 607-00-4 і ТЛЗ 377-Б/103-01, технологічних інструкцій на виготовлення балонів ТИ 1-2001, ТИ 3-1-2000 і ВТИ 1-2002, а також технічних умов на серійне виробництво нових видів балонів із зменшеною металоєкістю ТУ У 14-8-13-99 і ТУ У 14-8-36-2001.

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використано ідей співробітників, що сприяли виконанню роботи. При проведенні досліджень, результати яких опубликовані у співавторстві, автором дисертації здійснені розробки теоретичних положень, обробка результатів, аналіз і узагальнення результатів експериментів, розробка принципів калібровки інструменту, розробка основ інженерних рішень. Всі експериментальні дослідження проведені за участю автора дисертації.

Публікації відображають результати досліджень, виконаних при особистій участі автора. Особистий внесок в сумісних публікаціях ( в порядку переліку робіт): [1, 6, 12, 13, 17] виконано розрахунки основних параметрів балонів, розроблено технічні вимоги до конструкції нового виду полегшених балонів, прийнято участь у впровадженні результатів у виробництво; [2, 4, 5, 9, 14] - розроблено принципи послідовності формозмінення кінця заготовки під час закатки, виконано зіставлення основних способів виробництва балонів, розроблено основні технологічні параметри процесу закатки, прийнято участь у виробничих випробуваннях та у впровадженні розробок у виробництво; [3, 7, 16] виконано теоретичний аналіз дії сил в зоні деформації, одержано теоретичну залежність для визначення гранично допустимої деформації, визначено величину тангенціальної деформації за один оберт заготовки під час закатки; [8] - проведено експериментальні дослідження по закатці новим інструментом, проаналізовано дані щодо якості інструменту, виконано аналіз та узагальнення одержаних даних; [10] - розроблено принципову схему установки для виготовлення порожнистих циліндричних виробів; [11, 15] - розроблено принципову схему калібровки інструменту для закатки балонів та визначено граничні умови необхідності осьового підпору.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та одержали позитивну оцінку на наступних конференціях, симпозіумах, науково-технічних радах: конференція "Молодые ученые - 10-й пятилетке" (Дніпропетровськ, 1980 р); ІІІ Всесоюзна науково-технічна конференція "Теоретические проблемы прокатного производства" (Дніпропетровськ, 1980 р.); ІV Всесоюзна науково-технічна конференція "Теоретические проблемы прокатного производства" (Дніпропетровськ, 1988 р.); Всесоюзна конференція молодих вчених "Проблемы трубного производства" (Дніпропетровськ, 1990 р.); Міжнародний симпозіум по використанню стиснутого природного газу, зрідженого природного газу та зрідженого нафтового газу як моторного палива (Київ, 1991 р.); Міжнародна конференція "Газ в моторах" (Москва, 1996 р.); Міжнародна науково-практична конференція "Регіональні проблеми енергозбереження у виробництві і споживанні енергії (Київ, 1999 р.); 6-а Міжнародна науково-технічна конференція "Пластична деформація металів", присвячена 100-річчю з дня народження акад. О.П. Чекмарьова (Дніпропетровськ, 2002 р.); спільне засідання науково-технічної ради Державного трубного інституту ім. Я.Ю. Осади та його секції "Технології виробництва трубної заготовки, труб та балонів способами гарячої деформації, у т.ч. обробки труб" (Дніпропетровськ, 2002 р.); науковий семінар кафедри ОМТ НМетАУ (Дніпропетровськ, 2003 р.).

2. Основний зміст роботи

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обгрунтовано її актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, висвітлено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі викладено огляд літературних джерел стосовно способів виготовлення безшовних сталевих балонів малого і середнього об'єму та дослідження процесу гарячої закатки днищ і горловин. При цьому основну увагу приділено питанням витрат металу. Огляд дає підставу зробити наступні висновки:

1. Для виготовлення безшовних сталевих балонів малого і середнього об'єму застосовують три основні способи: із труб формуванням днищ і горловин на кінцях патрубків, із суцільної заготовки гарячою прошивкою і протягуванням на пресах та із листа холодним глибоким витягуванням у сполученні, в деяких випадках, із процесами давильної обробки і ротаційного видавлювання з потоншенням стінки.

2. Найкращі техніко-економічні показники при виготовленні днищ та горловин має спосіб закатки поворотним інструментом тертя ковзання, а при необхідності одержання збільшених потовщень стінки - спосіб тангенціальної закатки, що дозволяє деформувати за один робочий хід дільницю заготовки більшої довжини. У порівнянні з обжимом, ковкою, закаткою у штампах ("вестин-процес") і роликовою (валковою) закаткою ці способи характеризуються великими технологічними можливостями управління процесом спливу металу і більш високою продуктивністю.

3. Для розробки маловідходної технології виготовлення балонів необхідно: вибрати принципову технологічну схему, що забезпечує найменші витрати металу, з виготовленням балонів із зменшеною металоємкістю; визначити граничні умови редукування труб для стабільної закатки без втрати стійкості заготовки; визначити оптимальні умови для одержання збільшеного набору металу при закатці горловин із зменшеним ступенем редукування.

У другому розділі наведені результати оптимізації технології виготовлення безшовних сталевих балонів із зменшеною металоємкістю.

Для виготовлення балонів застосовують вуглецеві та леговані сталі, алюмінієві та титанові сплави, а також композиційні матеріали, наприклад, склопластик. У зв'язку із високою вартістю сплавів та композиційних матеріалів, а також підвищеними трудовитратами для полегшених балонів при річному об'ємі виробництва понад 50 тис.шт. найбільш доцільним є застосування високоміцної легованої сталі. На підставі проведених досліджень, випробувань та досвіду успішної експлуатації для виготовлення полегшених балонів середнього об'єму вибрано сталь марки 20ХН4ФА за ГОСТ 4543, яка включена до переліку матеріалів для балонів у Правилах Держнаглядохоронпраці по посудинах, що працюють під тиском.

Товщину стінки під час розрахунку балонів на міцність визначають переважно за формулами Маріотта-Баха та "середнього діаметру". Зіставлення розрахункових даних з результатами випробувань до повного руйнування балонів діаметром 51-219 мм із різних матеріалів показало, що найкращий збіг фактичних та розрахункових значень дає формула Маріотта-Баха. Розрахунок за формулою Маріотта-Баха в порівнянні із формулою "середнього діаметру" забезпечує зменшення товщини стінки та відповідно металоємкості у середньому на 5%. З метою подальшого удосконалення методики розрахунку балонів на міцність одержано нову формулу для розрахунку мінімальної товщини стінки S_min:

, (1)

де Р -робочий тиск; D_н - зовнішній діаметр; [у] - допустиме напруження.

Застосування цієї формули порівняно із формулою Маріотта-Баха дозволить після додаткової експериментальної перевірки зменшити товщину стінки на 8…10%.

Аналіз результатів виконаних в роботі розрахунків основних параметрів балонів показав, що зі зменшенням їх діаметру маса зменшується. Тому у тих випадках, коли технічним завданням не передбачено значення діаметру балону, його величина повинна бути якнайменша, тобто:

, (2)

де d_г - діаметр горловини; - мінімальна товщина стінки.

Із розрахунку основних параметрів балонів зі спільним розв'язанням формул (2) і Маріотта-Баха, а також з урахуванням умов експлуатації балонів за якими їх довжина не повинна перевершувати 2 000 мм одержано вираз для визначення величини діаметру балона:

, (3)

де V - об'єм балону; l_ц - довжина циліндричної частини корпусу.

При використанні цієї методики витрати можуть бути зменшені у середньому на 10% для балонів малого об'єму і на 5% - для балонів середнього об'єму.

У третьому розділі наведено результати дослідження і розробки маловідходної технології виготовлення балонів.

Для порівняння даних щодо витрат металу при виготовленні балонів різними способами виконано розрахунок коефіцієнтів витрат на прикладі полегшених автомобільних балонів об'ємом 50 л (табл. 1)

Коефіцієнт витрат металу при виготовленні балонів, а також наскрізний коефіцієнт витрат (від рідкої сталі) найменший при виготовленні балонів із труб, найбільший - із листа.

У технологічному процесі виготовлення днищ та горловин способом гарячої закатки зменшення витрат металу досягається, здебільшого, за рахунок оптимального режиму деформації. Для цього, у першу чергу, необхідно установити граничні умови редукування, що забезпечують високопродуктивну закатку без втрати стійкості заготовки у тангенціальному напрямку.

Таблиця 1 - Витрати металу при виготовленні балонів

Вид заготовки	Коефіцієнт витрат	Наскрізний коефіцієнт витрат
	рідка сталь злиток	злиток заготовка (сляб)	сляблист	обдирка аготовки	заготовка труба	виготовлення балонів
Гарячедеформов. труба	1,04	1,255	-	1,08	1,20	1,07	1,81
Квадрат на заготовка 200х200мм	1,04	1,255	-	1,10	-	1,32	1,90
Листтов щиною 11,0-12,5 мм	1,04	1,320	1,22	-	-	1,48	2,47

При аналізі процесу деформації заготовки як допущення прийнята лінійна залежність між напруженнями та деформаціями, що віднесені до серединної поверхні. При цьому використовується не модуль Юнга, а модуль пластичності, що доволі правомірно із урахуванням незначної деформації за один оберт заготовки. Задача може бути спрощена із використанням напівоберненого методу Сен-Венана, при якому окремі параметри формозмінення визначають експериментально, виявляють основні закономірності процесу, а другорядними нехтують.

Експериментальні дослідження закатки на свинцевих зразках із гальмуванням процессу на проміжних стадіях показали, що поздовжня деформація заготовки дорівнює нулю (е_m = 0), а скручування поздовжньої твірної практично відсутнє. Тому може бути прийнята плоска схема головних деформацій, при якій тангенціальна деформація е_t дорівнює радіальній е_r (е_t = -е_r). При цьому деформації е_t та е_r розподілені рівномірно по всьому периметру перерізу заготовки.

Процес формозмінення може бути поділений на дві стадії. Перша - стиск дільниці заготовки без її обертання площиною АВС із зусиллям P_N (рис. 1).

Рис.1 Формозмінення заготовки без її обертання на першій стадії процесу закатки

Тут має місце тільки деформація вигину без змінення параметру поперечного перерізу. На другій стадії (рис. 2) змінюється форма заготовки під час її обертання під впливом сили тертя dP_t та окружного зусилля, що спрямовано протилежно силі тертя.

При мінімальному прогині ділянки О₁К dP_N концентрується у точці К і у подальшому тільки окружне зусилля dP_t наростає до критичного:

, (4)

де Е. - модуль пластичності; S_n - поточне значення товщини стінки; dL, l - рис. 1.

а б

Рис. 2 Деформація торця заготовки під час її обертання на другій стадії процесу: а - змінення форми поперечного перерізу; б - схема дії сил (1-інструмент; 2-заготовка)

Площа поперечного перерізу заготовки О₁К = S_n dL:

, (5)

де S₀ - початкове значення товщини стінки; R, r_n - початкове та поточне значення радіусу заготовки.

Процес закатки буде стійким при відсутності прогину ділянки О₁К (l=0). Оскільки деформація стиску незначна, е_t можна визначити за формулою Лагранжа:

. (6)

Інтенсивність деформації дорівнює:

. (7)

Тоді Якщо прийняти ( - напруження у тангенціальному напрямку) з використанням формул (4) - (7) одержимо:

. (8)

З урахуванням (8) величина гранично допустимої тангенціальної деформації буде:

. (9)

Оскільки , де - кут повороту інструменту, з урахуванням (5) одержимо (у процесі перетворень від співвідношення перейдемо до ).

. (10)

Для визначення гранично допустимої тангенціальної деформації доцільно користуватися графіком (рис.3), де наведено результати розрахунків за формулою (10). Зі збільшенням кута повороту інструменту допустима величина тангенціальної деформації збільшується, що обумовлено зростаючою стійкістю торця заготовки під час закатки (потовщення стінки при одночасному зменшенні діаметру). Це надає можливість збільшення тангенціальної деформації на наступних стадіях процесу закатки шляхом збільшення кутової швидкості повороту деформуючого інструменту.

Рис. 3. Гранично допустима величина тангенціальної деформації

Для одержання необхідного потовщення стінки в циліндричній частині горловини у ряді випадків необхідно застосовувати в процесі закатки осьовий підпор на торець горловини, що може привести до втрати стійкості заготовки в осьовому напрямку. У зв`язку з цим для розробки калібровки інструменту необхідно визначити основні умови, що забезпечують стабільну закатку горловин. Із використанням закону постійності об`єму металу, що деформується, та урахуванням того, що подовження заготовки в осьовому напрямку практично відсутнє, в результаті аналізу основних параметрів горловини одержано вираз:

, (11)

де R, r_г - радіуси заготовки та циліндричної частини горловини; R₁ - радіус переходу сферичної частини у циліндричну; S₀ , S_г - товщина стінки заготовки та циліндричної частини горловини.

Формула (11) визначає товщину стінки заготовки, за якої необхідне потовщення у циліндричній частині горловини може бути одержане без осьового підпору. Воно є граничною умовою необхідності відповідної підпираючої ділянки на інструменті для закатки горловин.

У випадку необхідності осьового підпору треба визначити величину осьового зусилля, яке, забезпечуючи необхідний набір металу, не приводить до втрати стійкості заготовки у осьовому напрямку.

Для цього було проведено експериментальні дослідження, при яких до спеціально виготовлених зразків горловин прикладають зусилля, що зміщене відносно осі, як це має місце під час закатки. Визначали величину зусиль та напружень, за яких починається пластична деформація горловини (напруження визначали з допомогою тензодатчиків, що були розміщені в осьовому та тангенціальному напрямках).

У четвертому розділі дисертаційної роботи описано теоретичні та експериментальні дослідження щодо розробки маловідходної технології виготовлення нового виду балонів для протипожежної техніки - мікролітражних балонів об`ємом 0,1...0,4 л (особливістю їх конструкції є збільшений діаметр горловини, що складає більше 70% у порівнянні із 20-40% у стандартних балонів).

При такій малій ступені редукування одержання необхідного потовщення в горловині традиційним способом закатки поворотним інструментом не є можливим. У зв`язку з цим було розроблено новий спосіб тангенціальної закатки, за яким послідовність формозмінення передбачає закатку напівсфери, переформовку напівсфери в оболонку у вигляді зрізаного конусу із "глухим дном" та переформовку конічної оболонки в горловину (а.с. №№ 1091416 та 1107383).

Така технологія дозволяє у більшій мірі використати основну перевагу тангенціальної закатки - більш широкі технологічні можливості для одержання збільшених потовщень під час переміщення інструменту у напрямку, перпендикулярному осі заготовки. Для реалізації способу необхідно забезпечувати нагрів ділянки, що деформується, протягом усього процесу закатки із використанням секційного нагрівача, конфігурація поверхні якого симетрична робочій поверхні інструменту (а.с. № 1400737).

Проведеними експериментами установлено, що на відміну від закатки поворотним інструментом тангенціальна закатка супроводжується значним скручуванням поздовжніх волокон металу. У зв`язку з цим основний технологічний параметр - припуск заготовки, що визначає кількість металу, необхідного для утворення днища (горловини), практично дорівнює довжині поздовжнього волокна S на сферичній частині закатаного кінця після його скручування у процесі закатки, тобто довжині дуги на сферичній поверхні у криволінійних координатах. Вона виражається диференціалом дуги або лінійним елементом поверхні:

. (12)

При вирішенні цього виразу чисельним інтегруванням необхідно використати криволінійні координати:

; . (13)

Аналіз експериментальних даних показав, що форма скручених волокон металу достатньо точно описується рівнянням епіциклоїди. Тому у рівняннях (13) значення х та у слід визначати з виразів:

 ; , (14)

де ; r₀ - радіус отвору у днищі, що закатано не до кінця; R - радіус твірної днища; ц - поточне значення кута, що визначає положення точки кривої.

У пятому розділі наведено результати освоєння маловідходної технології виготовлення нових видів балонів зі зменшеною металоємкістю.

Розроблена технологія тангенціальної закатки мікролітражних балонів, що упроваджена на ЗАТ ДСП "Пожтехніка" (м. Дніпропетровськ), забезпечує одержання збільшеного потовщення стінки при меншій ступені редукування. Це дозволило використати для виготовлення балонів більш тонкостінні труби розміром 36х3 мм замість труб розміром 36х4 мм, що раніше використовувалися, та забезпечити економію металу за рахунок зменшення маси балону (акт упровадження від 20.04.1995р.).

Для забезпечення збільшення виробництва мікролітражних балонів розроблено завдання на проектування високопродуктивної закатної машини. Безвідходне розрізання нагрітої ділянки заготовки та одночасна закатка днища та горловини здійснюються одним інструментом у процесі одного робочого ходу.

Експериментальні дослідження щодо розробки технології виготовлення нових видів балонів для вуглекислотних вогнегасників об`ємом 2…7 л із труб розміром 140х5 мм з вуглецевої сталі способом закатки поворотним інструментом проводили на закатних машинах ГД-130 та ГД-131 Гомельского станкозаводу.

Діаметр різьби в горловинах цих балонів у 1,5 рази більший, ніж у стандартних, що приводить до зменшення ступеня редукування. Для забезпечення необхідного набору металу, відповідно результатам досліджень, було розроблено калібровку інструменту, що містить у собі, окрім катаючої, також підпираючу ділянку, що діє на торець горловини на заключній стадії закатки (патент України № 30609А).

З метою зменшення браку по негерметичності днищ розроблено новий спосіб виготовлення балонів з вуглецевої сталі. Він передбачає оптимізацію технологічних параметрів, що забезпечують підвищення температури кінця заготовки під час закатки, у залежності від температури нагріву заготовки перед закаткою і кутової швидкості повороту інструменту (підвищену температуру підтримують починаючи з кута повороту інструменту 40…50 град) (патент України № 52488А).

За розробленою технологією на спеціалізованій дільниці Державного трубного інституту ім. Я.Ю. Осади вперше в Україні освоєно виробництво балонів малого об`єму, що відповідають вимогам Євростандату W-1253/306 (акт упровадження від 11.04.2000 р.).

Основні висновки і рекомендації дисертаційної роботи використано для розробки маловідходної технології виготовлення полегшених автомобільних балонів нового покоління зі зменшеною металоємкістю.На основі розрахунків оптимального режиму деформації визначено можливість закатки тонкостінних заготовок зі співвідношенням D/S=45…50 за один робочий хід деформуючого інструменту завдяки змінній кутовій швидкості повороту інструменту.

До досягнення кута повороту 0,6 рад кутова швидкість складає (9…11)·10^-3 рад/об; при подальшій закатці - (17…19)·10^-3 рад/об (пат. України № 39240А). З метою реалізації нової технології розроблено технічне завдання на основний агрегат для виготовлення балонів - машину для закатки днищ та горловин, в якому передбачено можливість зміни кутової швидкості від 0 до 25·10^-3 рад./об.

На виготовленній за цим технічним завданням машині на ВАТ "Бердичівський машинобудівний завод "Прогрес" за розробленою технологією освоєно промислове виробництво балонів об`ємом 20…50 л з робочим тиском 19,6 МПа (200 кгс/см²) з високоміцної сталі марки 20ХН4ФА із труб розміром 215х4,5 мм (пат. України № 40179А, пат. Російської Федерації №2183299). Закатка здійснюється стабільно без втрати стійкості заготовки у поперечному та осьовому напрямках (акт упровадження від 29.03.2001 р.).

балон закатка деформація сталевий

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в оптимізації технологічних параметрів процесу виготовлення безшовних сталевих газових балонів гарячою деформацією кінців трубчастих заготовок способом закатки інструментом тертя ковзання і розробці на цій основі маловідходної технології виготовлення балонів із зменшеною металоємкістю.

1. На підставі аналізу існуючого стану теорії і практики процесів виготовлення сталевих газових балонів та науково-технічної літератури показано, що дослідження спливу металу із визначенням граничних умов деформації під час закатки днищ та горловин, витрат металу при застосуванні різних технологічних схем і обгрунтування можливості зменшення товщини стінки балонів - є актуальною задачею.

2. Експериментальні дослідження щодо витрат металу і вперше проведені порівняльні розрахунки показали, що для трьох способів виготовлення балонів - із безшовних труб закаткою днищ та горловин, із суцільної заготовки прошивкою та протягуванням на пресах та із листа багатоопераційною холодною глибокою витяжкою наскрізний витратний коефіцієнт від рідкого металу складає відповідно 1,81; 1,90 і 2,47. На основі цих даних та з урахуванням світового досвіду для організації в Україні виробництва балонів малого та середнього об`єму вибрано спосіб їх виготовлення із труб закаткою днищ та горловин поворотним інструментом тертя ковзання.

3. В роботі показано, що важливою характеристикою, що визначає режим деформації при закатці балонів є гранично допустима тангенціальна деформація , за якої відсутня втрата стійкості заготовки. В результаті експериментальних досліджень з гальмуванням процесу закатки і теоретичного аналізу напружено-деформованого стану заготовки при плоскій схемі деформації вперше одержано формулу для визначення гранично допустимої тангенціальної деформації у залежності від розмірів заготовки та кута повороту інструменту.

4. З використанням одержаної в роботі методики визначення гранично допустимої деформації уперше установлено можливість закатки зі змінною кутовою швидкістю переміщення формуючого інструменту, яку можна збільшувати на заключній стадії закатки. Для тонкостінних балонів зі співвідношенням діаметру і товщини стінки D/S=45…50 оптимальні значення кутової швидкості складають: до досягнення кута повороту інструменту 0,6 рад - (9…11)·10^-3 рад/об; при подальшій закатці - (17…19)·10^-3 рад/об.

5. Вперше експериментально установлено величину напружень в сферичній частині горловини, що відповідають за втрату стійкості заготовки в осьовому напрямку під час закатки.

6. Для забезпечення необхідного набору металу при виготовленні мікролітражних балонів зі зменшеною ступінню редукування розроблено маловідходну технологію тангенціальної закатки з послідовним формуванням кінця заготовки у днище, зрізаний конус та горловину, калібровку інструменту та установку для нагріву кінця заготовки на протязі всього процесу закатки. При використанні нової технології досягається зменшення витрат металу на 25% за рахунок можливості використання труб з меншою товщиною стінки.

7. Вперше експериментально установлено, що при тангенціальній закатці мікролітражних балонів відбувається значне скручування. Форма лінії скручування твірної на зовнішній поверхні закатаного кінця заготовки достатньо точно описується рівнянням епіциклоїди. З використанням цих даних розроблено методику визначенняч оптимальної величини припуска заготовки - основного технологічного праметру при закатці днищ та горловин.

8. На основі зіставлення результатів теоретичного аналізу методів розрахунку товщини стінки балонів і випробувань різних видів балонів до повного руйнування установлено, що для тонкостінних балонів кращий збіг розрахункових та фактичних даних досягається при використанні формули Маріотта-Баха. В роботі уперше одержано нову формулу для визначення товщини стінки, застосування якої дозволить зменшити металоємкість на 8…10%.

9. В роботі установлено, що за інших рівних умов об`єм металу, що іде на виготовлення балону, зменшується зі зменшенням його зовнішнього діаметру. В результаті виконаних розрахунків розроблено методику визначення основних параметрів балонів при мінімально можливому діаметрі, використання якої дозволить зменшити металоємкість балону на 5…10%.

10. Результати дисертаційної роботи у вигляді рекомендацій щодо нових способів виготовлення балонів, оптимальних технологічних параметрів, калібровки інструменту і технічних вимог до продукції у нормативній документації, що забезпечують маловідходність технології і зниження металоємкості балонів, використано при освоєнні виробництва мікролітражних балонів об`ємом 0,1…0,4 л на ЗАТ ДСП "Пожтехніка" (а.с. №№ 1091416, 1107383 та 1400737), балонів малого об`єму (2…7 л) на спецдільниці Державного трубного інституту ім. Я.Ю.Осади (деклар. пат. України №№ 30609А, 45223А і 52488А) і полегшених автомобільних балонів об`ємом 20…50 л на ВАТ "Бердичівський машинобудівний завод "Прогрес" (деклар.пат. України №№ 39240А, 40179А и пат. РФ № 2183299).

Основні результати дисертації викладені у роботах

1. Близнюков Е.А., Рохман Д.Е., Иванов А.И. Выбор оптимальных размеров баллонов при минимальном расходе металла // Трубы экономичных видов. Тематический сборник. - М. Металлургия. - 1982. - С.87-91.

2. Близнюков Е.А., Рохман Д.Е., Иванов А.И. Технология изготовления микролитражных баллонов с утоненными стенками // Специальные вопросы трубного производства. Научные труды ВНИТИ. - М. Металлургия. - 1986. - С.45-53.

3. Определение оптимального режима деформации металла при закатке тонкостенных баллонов и трубных изделий / Е.А. Близнюков, Д.Е. Рохман, Ю.В. Савченко, А.И.Иванов // Производство труб и баллонов. Тематический сборник научных трудов. - Днепропетровск: ДТИ. - 1996. -С.24-30.

4. Иванов А.И., Сокуренко В.П., Литвинский Я.И. О выборе малоотходной технологии изготовления бесшовных стальных баллонов малого и среднего объёма // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1998. - № 3. - С.64-66.

5. Иванов А.И., Макатера В.С., Щипицын В.М. Совершенствование технологии изготовления баллонов высокого давления для огнетушителей // Производство труб и баллонов. Тематический сборник научных трудов. - Днепропетровск: ДТИ. - 1999. - С.83-87.

6. Разработка конструкции и освоение технологии производства особо легких автомобильных баллонов для сжатого природного газа / Сергеев В.В., Иванов А.И., Литвинский Я.И., Юрьев М.П., Мельник В.Г. // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2001. - № 6. - С.50-52.

7. Сокуренко В.П., Иванов А.И., Литвинский Я.И. Выбор режима деформаций при изготовлении тонкостенных баллонов способом закатки // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - № 8…9. - С.410-412.

8. Повышение качества инструмента трения при закатке баллонов и трубных изделий / Е.А. Близнюков, Д.Е. Рохман, А.И. Иванов, Л.С. Рудницкий // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1987. - № 3. - С.22-23.

Додатково наукові результати відображені у роботах:

9. Деклар. пат. 39240А Україна, МПК В21D22/16. Спосіб виготовлення газових балонів високого тиску / В.В. Сергєєв, А.І. Іванов, Я.І. Літвінський, В.М. Янковський, М.П. Юр'єв, В.Г Мельник, І.М. Карп, О.І. П'ятничко (Україна). - № 2000063308; Заявл. 06.06.2000; Опубл. 15.06.2001, Бюл. № 5. - 4 с.

10. Установка для обкатки полых цилиндрических изделий: А.с. 1400737 СССР, МКИ В21D5/24. / А.И. Иванов, В.В. Руликов, В.М. Маркевич, С.В. Окара, С.В. Савенков (СССР). - № 4003819; Заявл. 07.01.86; Опубл. 07.06.88; Бюл. № 21. - 47 с.

11. Деклар. пат. 30609А Україна, МПК В21D51/24. Інструмент для закатки горловин балонів./ Г.І. Хаустов, А.І. Іванов, В.М. Щіпіцин, В.С. Макатьора, Г.А. Ігнатенко (Україна). - № 98031243; Заявл. 11.03.98; Опубл. 15.12.2000, Бюл. № 7-ІІ. - 9 с.

12. Деклар. пат. 40179А Україна, МПК 7F17С1\00. Газовий балон. / В.В. Сергєєв, А.І. Іванов, Я.І. Літвінський, М.П. Юр'єв, В.Г. Мельник, І.М. Карп, Я.О. Мілованова (Україна). - № 2000084988; Заявл. 23.08.2000; Опубл. 16.07.2001, Бюл. № 6. - 4 с.

13. Пат. 2183299 РФ, МПК 7F17С 1/00. Газовый баллон / В.В. Сергеев, А.И. Иванов, Я.И. Литвинский, М.П. Юрьев, В.Г. Мельник, И.Н. Карп, Я.А. Милованова (Украина). - № 200122338/06; Заявл. 25.08.2000; Опубл. 10.06.2002, Бюл. № 16.- 10 с.

14. Деклар. пат. 52488А Україна, МПК В21D51/24. Спосіб виготовлення корпусів балонів з вуглецевої сталі / В.В. Сергєєв, А.І. Іванов, В.С. Макатьора, М.П. Юр'єв, В.Г. Мельник (Україна). - № 2002065156; Заявл. 21.06.2002; Опубл. 16.12.2002, Бюл. № 12. - 6 с.

15. Некоторые предпосылки к расчету калибровки инструмента для закатки горловин баллонов из различных марок стали и сплавов // Близнюков Е.А., Рохман Д.Е., Холод А.И., Иванов А.И., Сапко Е.Д. // Всес.научн.-иссл.трубн.ин-т. - Днепропетровск, 1983. - 13 с. - Деп. в ВИНИТИ; библиографический указатель "Депонированные научные работы", 1983. - № 1. - С.106.

16. Близнюков Е.А., Рохман Д.Е., Иванов А.И. Закатка тонкостенных баллонов из высокопрочной стали // Тезисы докл. ІV Всесоюзн. научн.-техн. конф. "Теорет. проблемы прокатн. пр-ва", ч. ІІ. - Дн-ск: Дн-ский металлургическ. ин-т. - 1988. - С.176.

17. Сергеев В.В., Иванов А.И., Литвинский Я.И. Технология поточного производства особолёгких стальных бесшовных автомобильных баллонов для сжатого природного газа // Тезис. докл. междун. конф. "Газ в моторах". - Москва, РАО "Газпром". - 1996. - С.40-41.

Размещено на Allbest.ru

...