Розвиток наукових основ і технології холодного профілювання прямокутних труб підвищеної точності прокаткою в чотирьохвалкових калібрах

Размещено на http://www.allbest.ru

Національна Металургійна Академія України

УДК 621.774

Розвиток наукових основ і технології холодного профілювання прямокутних труб підвищеної точності прокаткою в чотирьохвалкових калібрах

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Бояркін Вячеслав Володимирович

Дніпропетровськ 2005

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Данченко Валентин Миколайович, завідувач кафедри обробки металів тиском Національної металургійної академії України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Фурманов Валерій Борисович, науковий консультант ВАТ "Дніпропетровський трубний завод", м. Дніпропетровськ;

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

Провідна установа:

Державний науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади Міністерства промислової політики України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “ 21 ” червня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

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

Автореферат розісланий “ 20 ” травня 2005 р.

пластичний метал прокатка

АНОТАЦІЯ

Бояркін В.В. Розвиток наукових основ і технології холодного профілювання прямокутних труб підвищеної точності прокаткою в чотирьохвалкових калібрах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. - Процеси та машини обробки тиском. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена визначенню залежностей параметрів формозміни металу при профілюванні в чотирьохвалкових калібрах труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів. Визначено вплив параметрів профілювання на такі елементи формозміни профілю, як увігнутість сторін, стовщення стінки і формування радіусів сполучення в кутах. Теоретичний аналіз пружно-пластичної течії металу проведений за допомогою двовимірного кінцево-елементного математичного опису. У роботі проведено експериментальне дослідження формозміни профілю в чотирьохвалковому калібрі при профілюванні труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів. Обґрунтовано та запропоновано удосконалену технологію прокатки і методики розрахунку параметрів профілювання холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах, що забезпечує підвищення точності готових профільних труб і ресурсозбереження.

Ключові слова: профілювання, формозміна, прямокутні труби, холодна прокатка, чотирьохвалковий калібр, рівчак, радіус закруглення, увігнутість сторони, стінка.

АННОТАЦИЯ

Бояркин В.В. Развитие научных основ и технологии холодного профилирования прямоугольных труб повышенной точности прокаткой в четырехвалковых калибрах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. - Процессы и машины обработки давлением. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2005.

В диссертации получено теоретическое обобщение и новое решение научно-технической задачи, которая заключается в определении закономерностей формоизменения металла в зависимости от материала и геометрических размеров поперечного сечения заготовки, упругого разгиба сторон профиля, а также размеров калибров при профилировании прямоугольных труб из низкоуглеродистых сталей и алюминиевых сплавов холодной прокаткой и развитие на основе полученных зависимостей методик расчета технологических параметров профилирования труб с отношением сторон 1…1,3. Практическое значение полученных результатов заключается в усовершенствовании технологии производства профильных труб холодной прокаткой, обеспечивающих улучшение геометрических характеристик труб и ресурсосбережение.

Теоретически исследован механизм формирования сторон профиля и угловых участков с учетом напряженно-деформированного состояния. Определены зависимости между фактическим и условным радиусом закругления в углах профильных труб при различных характеристиках материала и геометрических параметрах поперечного сечения заготовки. Получены зависимости для определения утолщения в угловых участках от вышеперечисленных факторов.

Получило дальнейшее развитие экспериментальное определение параметров формоизменения при прокатке прямоугольных труб в четырехвалковых калибрах. Впервые получены данные по величине прогиба сторон, наружного радиуса закругления угловых участков профиля и коэффициента вытяжки для алюминиевых сплавов АД00 и АД31, что позволило расширить представление о влиянии характеристик материала на формоизменение при профилировании. Малая величина коэффициента вытяжки при прокатке даже высокопластичных сплавов показала адекватность применения двумерной математической модели для описания формоизменения трубы при теоретическом исследовании параметров профилирования. Кроме того, установлено, что относительная погрешность между экспериментальными и полученными при помощи математической модели данными составляет менее 10 %. Также на основании экспериментальных данных были определены зависимости для определения необходимого периметра заготовки и его взаимосвязи с условным радиусом закругления в углах с учетом влияния материала заготовки.

Разработана технология производства прямоугольных труб холодной прокаткой в четырехвалковых калибрах.

Рекомендуется применение двух клетей для осуществления непосредственно деформации профилирования. В случае использования отдельностоящего трубопрофильного стана в состав оборудования включается задающая клеть дуо для обеспечения захвата. Разработаны методики расчета технологических параметров профилирования для получения прямоугольных труб с отношением сторон 1…1,3 из углеродистых сталей и алюминиевых сплавов по предложенной схеме.

Прокатку труб из заготовки с D/S < 17 и D/S < 18 соответственно для алюминиевых сплавов и низкоуглеродистых сталей осуществлять прокаткой в четырехвалковых клетях с валками, которые имеют только гладкую бочку. Использование предлагаемых схем обеспечивает улучшение показателей качества по геометрическим размерам готовых труб и уменьшение количества пробных прокаток, что приводит к снижению металло- и энергоемкости производства.

Результаты работы использованы на ГП "НВЦ "Електротермія" Института электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, в условиях ООО "ТСВ-Групп" и на кафедре обработки металлов давлением Национальной металлургической академии Украины.

Ключевые слова: профилирование, формоизменение, прямоугольные трубы, холодная прокатка, четырехвалковый калибр, ручей, радиус закругления, прогиб стороны, стенка.

ABSTRACT

Boyarkin V.V. Development of scientific bases and technology of cold profiling of rectangular pipes of the increased accuracy by rolling in four-roll calibres. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of engineering science on a speciality 05.03.05. - Processes and machines of processing by pressure. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2005.

The dissertation is devoted to definition of dependences of metal forming parameters at shaping in four-roll calibres of pipes from low-carbonaceous steels and aluminium alloys. Influence of parameters of shaping on the following elements metal forming has been determined: a deflection of the party, a thickening of a wall, formation of interface in corners of pipes. The theoretical analysis of elastic - plastic deformation of metal has been carried out by means of the two-dimensional finite-element mathematical model. In the work the experimental research of metal forming in four-roll calibre has been carried out at shaping of pipes from low-carbonaceous steels and aluminium alloys. Improvement of the technology and methods of calculation of parameters of shaping have been offered and is proved. It provides increase of accuracy of shaped pipes and resources saving.

Key words: shaping, forming, rectangular pipes, cold rolling, four-roll calibre, pass, radius of formation, a deflection of the party, wall thickness.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В останні роки в будівництві і машинобудуванні істотно зросло споживання прямокутних профільних труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів. Значну частину цієї продукції складають профілі, одержані переважно способом холодної прокатки в чотирьохвалкових клітях, в тому числі в лінії трубоелектрозварювальних агрегатів. До точності геометричних розмірів таких профілів висуваються високі вимоги, що потребує розробки вдосконалених і теоретично обґрунтованих технологічних схем процесу та методик розрахунку технологічних параметрів профілювання. Труби зі співвідношенням сторін, більшим 1,3, виготовляють за ускладненими технологічними схемами, і особливості їх виробництва у даній роботі не розглядаються.

Актуальність теми. Існуючі уявлення про залежність формозміни металу від конструкції інструменту при прокатці профільних труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів в чотирьохвалкових калібрах і засновані на них методики розрахунку режимів профілювання не дозволяють врахувати комплексний вплив на характер формозміни металу ряду важливих факторів, таких як матеріал і геометричні розміри круглого поперечного перерізу заготовки (D/S) та пружна деформація сторін профілю. Зазначена обставина не дає можливості в загальному випадку точно розрахувати всі необхідні геометричні розміри чотирьохвалкових калібрів, в тому числі для виробництва труб з малими величинами радіуса закруглення в кутах профілю. Це приводить до появи дефектів у кутах труб при великих ступенях обтиску труби по висоті і ширині та змушеного визначення деяких параметрів калібру та кількості проходів, яких зараз використовується не менше трьох, з них мінімум два в клітях, що мають валки з радіусними рівчаками, виходячи з експериментальних даних. Внаслідок цього технологія не завжди може забезпечити необхідну точність геометричних розмірів поперечного перерізу готової труби, зокрема увігнутості сторін, радіуса закруглення в кутах профілю і стовщення стінки та відповідність їх сучасним вітчизняним та світовим стандартам. Тому для виробництва раніше не освоєних типорозмірів прямокутних труб у клітях зі знов нарізаними рівчаками проводять декілька пробних прокаток, що знижує продуктивність обладнання, підвищує витрати валкового інструменту, заготовки та енергоспоживання. До того ж формозміна при профілюванні труб з алюмінієвих сплавів досі належно не досліджена. Використання математичного моделювання, зокрема, методу кінцевих елементів, може дозволити належним чином врахувати комплексний вплив вищезгаданих параметрів на формозміну при профілюванні. Дослідження в такій постановці до наявної роботи не проводилися.

Таким чином, робота, що спрямована на визначення закономірностей формозміни металу в залежності від матеріалу і геометричних розмірів поперечного перерізу заготовки та форми і розмірів чотирьохвалкових калібрів при профілюванні квадратних і прямокутних труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів з підвищеною точністю геометричних розмірів та розвиток на основі отриманих залежностей методик розрахунку таких параметрів готової труби, як фактичний радіус сполучення сторін профілю, стовщення стінки в кутах профілю, а також удосконалення технології профілювання, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язано з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Дослідження виконані в рамках програми і відповідної тематики науково-дослідних робіт кафедри обробки металів тиском НМетАУ, ДР № 0103U003217, № 0103U003218. Автор був виконавцем цих робіт. Також проводилися дослідження у рамках співпраці між НМетАУ і Ченстоховським політехнічним інститутом, Польща (договір від 01.10.2002 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи стало вивчення закономірностей формозміни металу в залежності від матеріалу і геометричних розмірів поперечного перерізу заготовки, пружного розгину сторін профілю, форми та геометричних розмірів робочого інструменту і розробка на основі отриманих даних технології холодної прокатки прямокутних труб в чотирьохвалкових калібрах, що забезпечує поліпшення показників якості та точності геометричних розмірів таких профілів.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі задачі:

обґрунтувати вибір математичної моделі опису пружно-пластичної течії металу при профілюванні прямокутних труб холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах та визначити експериментально і теоретично адекватність працездатності вибраної моделі;

провести експериментальне і теоретичне дослідження механізму появи увігнутості сторін профілю, стовщення стінки і формування радіуса сполучення сторін профілю в залежності від таких факторів, як матеріал і геометричні розміри заготовки, форма і розміри чотирьохвалкових калібрів;

проаналізувати результати досліджень і одержати математичний опис залежності стовщення стінки і формування фактичного радіуса сполучення сторін профілю від матеріалу і геометричних розмірів заготовки та ступеня обтиску труби у калібрі, який визначає розміри і форму кутових зон готових труб;

визначити залежності для розрахунку діаметра заготовки при профілюванні прямокутних труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів в чотирьохвалкових калібрах;

визначити залежності для розрахунку розмірів чотирьохвалкових калібрів для профілювання прямокутних профільних труб підвищеної точності з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів;

визначити за отриманими залежностями технологічні параметри профілювання прямокутних труб, зокрема, периметр заготовки, розподіл деформації по клітях і калібровку інструменту та використати їх на промислових станах.

Об'єкт дослідження. Процес профілювання квадратних і прямокутних труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах.

Предмет дослідження. Закономірності формозміни металу при профілюванні в залежності від матеріалу і геометричних параметрів заготовки та геометричних параметрів чотирьохвалкових калібрів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження засновані на фундаментальних закономірностях теорії обробки металів тиском і теорії пластичності. Натурні експерименти проводилися в лабораторних умовах з використанням сучасної вимірювальної апаратури. При проведенні досліджень використано методи математичного моделювання і статистичної обробки даних із застосуванням комп'ютерної техніки.

Наукова новизна. Наукову новизну мають перелічені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень, які вперше отримані в дисертації:

1. Вперше теоретично визначені мінімально допустимі значення радіусів сполучення сторін при прокатці в чотирьохвалкових калібрах.

До даної роботи подібні теоретичні дані не були відомі. Результати, що були отримані, дозволяють уникнути появи дефектів на внутрішній поверхні кутових зон труб, які одержують холодною прокаткою, та зменшити витрати металу.

2. Отримало подальший розвиток теоретичне визначення фактичного радіуса сполучення сторін профілю та стовщення стінки в кутових зонах квадратних і прямокутних труб з урахуванням впливу геометричних параметрів поперечного перерізу і матеріалу заготовки.

Раніше для холодного профілювання труб прокаткою в чотирьохвалкових калібрах такі залежності не були відомі. Отримані залежності, що базуються на теоретичних дослідженнях, дозволяють підвищити точність прогнозування геометричних розмірів поперечного перерізу квадратних і прямокутних труб.

3. Вперше для профілювання труб в чотирьохвалкових калібрах теоретично визначені залежності величини увігнутості сторін квадратних і прямокутних труб при прокатці валками з гладкою бочкою від матеріалу і геометричних розмірів поперечного перерізу заготовки з урахуванням пружного розгину профілю труби.

Раніше подібні залежності для профілювання прямокутних труб в чотирьохвалкових калібрах холодною прокаткою не були відомі. Використання отриманих залежностей дозволило вести профілювання прямокутних труб при співвідношенні діаметра до товщини стінки заготовки D/S 18 та D/S 17 відповідно для низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів в клітях, валки яких мають тільки гладку бочку.

4. Одержали розвиток експериментальні дослідження формозміни при профілюванні прямокутних труб з алюмінієвих сплавів.

Вони відрізняються тим, що одержані для сплавів АД00 і АД31 та умов холодної прокатки в чотирьохвалкових калібрах. Це дозволило розширити уяву про вплив матеріалу заготовки на технологічні параметри профілювання і вдосконалити технологію виробництва прямокутних труб з цих сплавів.

5. Одержана вдосконалена залежність діаметра заготовки від умовного радіуса сполучення стінок профілю при профілюванні прямокутних труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів.

Відмінністю від попередніх залежностей є урахування впливу матеріалу заготовки з використанням широкого діапазону експериментальних даних. Це дозволило з належною точністю визначати периметр заготовки, необхідний для виробництва профільних труб із заданими розмірами холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах.

Практична цінність отриманих результатів. Дослідження процесу профілювання квадратних і прямокутних труб дозволили:

отримувати холодною прокаткою прямокутні труби зі співвідношенням сторін 1…1,3 з величиною увігнутості сторін, яка не перевищує вимоги вітчизняних стандартів, в чотирьохвалкових калібрах з валками, що мають тільки гладку бочку, при співвідношенні діаметра до товщини стінки заготовки D/S 18 для низьковуглецевих сталей та D/S 17 для алюмінієвих сплавів;

зменшити необхідну кількість проходів профілювання прямокутних труб підвищеної точності зі співвідношенням сторін 1…1,3 і розробити технологію холодної прокатки таких труб в двох чотирьохвалкових клітях;

обґрунтувати розподіл обтиснень по клітях з використанням першої кліті з валками, що мають рівчаки, і чистової кліті, валки якої мають гладку бочку;

для розробленої технології прокатки визначити технологічні параметри профілювання, зокрема, необхідний периметр заготовки і калібровку інструменту з урахуванням пружного розгину профілю після виходу із зони деформації, що дозволяє підвищити якість та точність геометричних розмірів прямокутних труб при профілюванні холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах.

Результати дисертаційної роботи використані в умовах Державного підприємства "Науково-виробничий центр "Електротермія" Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, де прокатка труб розмірами 25251, 25251,5, 30251 і 30251,5 мм за вимогами ГОСТ 13663, ГОСТ 8639 і ГОСТ 8645 для квадратних і прямокутних труб високої точності виготовленняздійснюється за запропонованою у роботі технологічною схемою, і розрахунок технологічних параметрів профілювання ведеться за розробленими методиками (акт від 17.01.2005 р.).

Результати роботи використані при розробці технічних пропозицій по створенню ділянки для виробництва профільних труб холодною прокаткою і волочінням у роликових волоках і прийняті ТОВ "ТСВ-Групп" (звіт з науково-дослідної роботи ДР № 0103U003218).

Розробки, що були виконані в дисертації, використовуються в навчальному процесі на кафедрі обробки металів тиском НМетАУ при виконанні студентами дипломних проектів і випускних магістерських робіт (довідка від 10.02.2005 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Усі принципові теоретичні та експериментальні результати, що були отримані в дисертації, засновані на дослідженнях, проведених автором. Особистий внесок здобувача в публікаціях зі співавторами полягає в наступному: [1] - огляд методик визначення периметра заготовки для профілювання та отримання аналітичної залежності; [2] - одержання аналітичної залежності для визначення впливу діаметра заготовки на параметри профілювання, розробка рекомендацій для практичного використання; [3] - аналіз вітчизняних і зарубіжних літературних джерел та вибір оптимальної схеми холодного профілювання в залежності від вимог по точності, що висуваються до готової продукції; [4] - підготовка вихідних даних для моделювання, проведення експериментальних досліджень для тестування математичної моделі і перевірка адекватності її роботи; [5] - розробка методики досліджень за допомогою математичної моделі, підготовка даних для моделювання формозміни в кутах профілю при прокатці у чотирьохвалкових калібрах та обробка отриманих результатів і розробка рекомендацій для практичного використання; [6] - підготовка даних для математичного моделювання, аналіз впливу розмірів рівчака валка на формування сторін профілю, обробка отриманих результатів і формулювання рекомендацій для практичного використання.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і обговорювалися на: ІІІ Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2002" (Севастополь, 2002); VІ Міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2002); Міжнародній науково-технічній конференції "Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні" (Краматорськ, 2003); IV Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2003" (Севастополь, 2003) та на Об`єднаному науковому семінарі кафедри обробки металів тиском НМетАУ і прокатних відділів ІЧМ НАНУ (Дніпропетровськ, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 р.р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 6 статтях у спеціалізованих виданнях і тематичних збірниках.

Структура дисертації. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, викладена на 113 сторінках; містить: таблиць - 3, рисунків - 45, список використаних джерел з 93 найменувань, додатків - 2.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлена загальна характеристика роботи: обґрунтована актуальність теми, визначені мета, задачі, об'єкт, предмет і методи досліджень, висвітлені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація отриманих результатів.

АНАЛІЗ СПОСОБІВ ВИРОБНИЦТВА І ФОРМОЗМІНИ МЕТАЛУ ПРИ ПРОФІЛЮВАННІ ПРЯМОКУТНИХ ТРУБ

Процес формозміни круглого поперечного перерізу заготовки в багатокутний в залежності від його форми супроводжується зміною периметра заготовки, зв'язаною із загином чи розгином ділянок заготовки для формування відповідних елементів готового профілю труби. При цьому частина зміни периметра йде на стовщення стінки труби в кутах профілю, що може привести до утворення дефекту у вигляді складки, а частина - у витяжку, яка є дуже малою. При формуванні кутів профілю, особливо при великому ступені обтиску по висоті та ширині труби, фактичний радіус закруглення RФ завжди більше прийнятого для використання у вітчизняних стандартах та технічній літературі умовного радіуса закруглення RН, який по суті є довжиною зони сполучення сторін. При формуванні плоских ділянок багатокутного профілю може з'явитися увігнутість граней t (рис. 1). Це пов'язано з нерівномірністю розподілення напруг по площині поперечного перерізу труби, і, як наслідок, великої нерівномірності деформації, концентрація якої більше в кутах профілю.

В Україні більшість прямокутних труб виготовляється в лінії трубоелектрозварювальних агрегатів, обладнаних клітями з двома валками, де використовуються калібри ящичного типу (стрільчатого типу для квадратних труб). Це негативно відображується на точності геометричних параметрів профілю. Для виробництва таких труб найбільш прийнятним є використання чотирьохвалкових калібрів. Вибір кількості проходів здійснюється зазвичай за принципом рівномірності деформації по клітях, але враховуються можливості обладнання, сортамент та досвід виробництва. Сучасні схеми передбачають використання мінімум трьох проходів в чотирьохвалкових калібрах для виробництва прямокутних труб зі співвідношенням сторін 1…1,3. Запобігання увігнутості сторін здійснюється шляхом належного калібрування прокатних валків в залежності від матеріалу заготовки та кількості проходів прокатки. Наразі кожне підприємство вирішує ці проблеми самотужки із використанням попередніх експериментальних прокаток, що веде до значних втрат. Методики розрахунків параметрів профілювання холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах розроблялися Дороховим А.І., Фурмановим В.Б., Пінчуком В.М., Нікуліним Е.В., Ілюковичем Б.М. та ін. Основним недоліком цих методик є те, що жодною з них не враховується комплексний вплив таких факторів, як геометричні розміри поперечного перерізу заготовки та пружний розгин профілю після виходу із зони деформації. Тому виникає задача одержання залежностей формозміни металу від параметрів калібру при виробництві прямокутних труб і подальшого удосконалення методик розрахунку технологічних параметрів прокатки за допомогою математичного моделювання. Оскільки формозміна профілю труби при невеликих радіусах закруглення в кутових зонах залежить від багатьох параметрів і їх впливу на картину розподілення напруг по трубі, її закономірності доцільно вивчати, використовуючи математичне моделювання за допомогою методу кінцевих елементів (МКЕ), який, як показав аналіз літератури, раніше застосовувався для вивчення процесу профілювання труб в чотирьохвалкових калібрах вкрай рідко. Незважаючи на підвищений інтерес до об'ємного моделювання, дослідження, пов'язані з великою кількістю розрахунків, доцільно здійснювати на двовимірних моделях, оскільки вони мають більшу гнучкість, забезпечують менший час розрахунку при тій самій точності, а також дозволяють виділити обмежене число окремих факторів, що впливають на формозміну металу.

ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ФОРМОЗМІНИ МЕТАЛУ ПРИ ПРОФІЛЮВАННІ В ЧОТИРЬОХВАЛКОВИХ КАЛІБРАХ

В основу методики для визначення характеру сполучення сторін профільних труб при великих радіусах закруглення було закладено наступну фізичну посилку: формування кутових зон мусить бути підпорядковане принципу мінімуму роботи. При цьому вважаємо, що сполучення сторін відбувається по радіусу Rn. (рис. 2). У загальному вигляді це є варіаційною задачею, тому для полегшення розрахунків прийняте допущення про незмінність периметру заготовки по лінії, що проходить посередині перерізу стінки. Приймається, що товщина стінки також не змінюється. Для отримання кількісних результатів була розроблена аналітична модель, яка базується на вищезгаданих допущеннях. Довжина прямих зон сторін профілю C1D1 і E1F1 приймається рівною довжині дуг CD і EF. Залишок периметру іде на формування кутової зони. По відомим величинам довжини дуги і хорди D1F1 визначається радіус Rn. Аналіз результатів виявив, що для квадратних і прямокутних труб існує єдине співвідношення параметрів перерізу, коли сполучення сторін утворюється за радіусом, який плавно поєднується зі стороною (рис. 3а). Наприклад, для квадратної труби це відбувається при співвідношенні Dn/An = 1,18105. При менших значеннях наведеного співвідношення сполучення відбувається так, як показано на рис. 3б. За допомогою наведеного підходу можливо з високою точністю розрахувати радіус сполучення сторін RФ труби при RН/S > 1,5, у іншому випадку починається значне нерівномірне стовщення стінки.

Для дослідження увігнутості сторін, величини фактичного і умовного радіусів закруглення і стовщення стінки в кутових зонах при RН/S < 1,5 було застосовано метод кінцевих елементів. Автором були розроблені вихідні дані для моделювання. Безпосередньо кінцево-елементні розрахунки проводилися разом зі співробітниками Ченстоховського політехнічного інституту в рамках договору про співпрацю з НМетАУ від 01.10.2002 р. Під час досліджень моделювались двовимірні задачі. Це дало можливість вивчення формозміни поперечного перерізу заготовки під дією інструменту, що рухається поступально. Такий підхід до процесу формозміни при профілюванні є достатньо обґрунтованим внаслідок несуттєвої витяжки. Використана модель також давала можливість розрахунку пружної деформації металу після зняття навантаження. Зважаючи на симетрію профілю, розраховувалася деформація чверті поперечного перерізу. Задання вихідних даних включало наступне:

графічний опис заготовки та інструменту, елементами сітки були трьохвузлові сімплекс-елементи (рис. 4); інструмент приймався таким, що не піддається деформації. Швидкість руху інструменту в напрямку обтиснення приймалася рівною 120 мм/с, що відповідає швидкості прокатки 40 м/с. Початкове значення температури заготовки, інструменту і навколишнього середовища 20С;

реологічні властивості матеріалу заготовки описувалися шляхом задання емпіричних коефіцієнтів А та m1… m4 для обраного матеріалу до наступної залежності: , де Т - температура, - інтенсивність деформації, - інтенсивність швидкості деформації. Далі задавалися величини модуля Юнга і коефіцієнта Пуасона для конкретного матеріалу та величини коефіцієнту тертя між заготовкою і інструментом. Напруги тертя описувалися наступною залежністю:

при < ;

при > ,

де - напруга тертя; f - коефіцієнт тертя; f - показник тертя; n - нормальна напруга; T - напруга текучості.

Наступні розрахунки базувалися на таких припущеннях: деформований стан - плоский, процес неізотермічний. В якості базових приймалися такі параметри: величина зовнішнього діаметра заготовки D = 40 мм, матеріал заготовки - Сталь 10, Сталь 20 і сплав AlMgSi0.6; коефіцієнт тертя 0,2 (для умов відсутності технологічного мастила).

Попередній аналіз перших результатів моделювання показав наявність адекватних якісних ефектів при формозміні круглого поперечного перерізу на прямокутне: фіксувалися нерівномірність деформації по площині перерізу, увігнутість сторін профілю, стовщення стінки і характер закруглень в кутах профілю, пружний розгин елементів профілю після зняття навантаження з боку інструмента. У якості прикладу на рис. 5 показана формозміна чверті перерізу труби в зоні деформації при моделюванні деформації валками з гладкою бочкою.

Для вивчення механізмів формозміни було проведено дослідження за допомогою низки кінцево-елементних розрахунків. Базисні параметри моделі наведені вище. Параметр D/S заготовки змінювався від 11 до 45. Попередній аналіз виявив незначну різницю між даними, отриманими для Сталі 10 і Сталі 20, тому наступні дослідження проводилися тільки для Сталі 20 і вищезгаданого алюмінієвого сплаву.

Отримані поля напруг x, y і xy дозволили уточнити картину виникнення увігнутості. Процес профілювання можливо розділити на дві стадії. Спочатку, коли відбувається загин і розгин різних ділянок перерізу, у зовнішніх шарах металу сторони профілю діють напруги, що стискають його, а у внутрішніх шарах - розтягають, і це веде до увігнутості сторони посередині. Пізніше до деформації згинання додається осаджування в кутах профілю, завдяки чому на сторону починає діяти додаткове зусилля в напрямку, що залежить від величини радіуса рівчака валка. У зв'язку з цим по всій площині перерізу сторони починають діяти однорідні (стискуючі) напруги x та y, і сторона більше не прогинається. Це підтверджують отримані В.М. Пінчуком дані щодо виникнення увігнутості сторони завдяки формі робочої частини інструменту.

На рис. 6 приведено залежності відносної увігнутості t/A сторони профілю від D/S заготовки при моделюванні профілювання валками з гладкою бочкою (t -величина увігнутості на середині сторони профілю, А - розмір сторони труби) до величини умовного радіуса кута 1,5S після виходу із зони деформації. На рис. 7 приведена залежність пружного розгину профілю готової труби при RН/S = 1,5 від D/S заготовки після виходу із зони деформації. Величина пружного розгину визначалася як різниця між половиною висоти профілю по вісі симетрії до і після зняття навантаження. Аналіз даних показав, що величина пружного розгину може складати 10…90 % від можливої величини увігнутості сторони, обумовленої вимогами ГОСТ 8639, і зростає при збільшенні тонкостінності заготовки. Наведені дані підтверджують важливість урахування пружного розгину при розрахунку технологічних параметрів профілювання.

Мінімальний радіус закруглення кута профілю, з точки зору появи дефектів у вигляді складки на внутрішній його поверхні, залежить від геометричних параметрів заготовки і її матеріалу. Залежність величини RН від параметрів заготовки наведена на рис 8.

Видно, що зі збільшенням D/S заготовки мінімальний радіус зменшується, що пов'язано зі зменшенням величини стискуючих напруг на внутрішній частини кутової зони та меншим стовщенням стінки. Також вивчення картин розподілення напруг, що розтягують, на зовнішній частині кутових зон підтвердило попередні висновки інших дослідників, що максимального рівня вони набувають при відношенні RН/S від 3 до 5, тобто при цих значеннях радіусу закруглення є можливою поява тріщин на зовнішній поверхні. Конкретні величини RН/S залежать не тільки від матеріалу заготовки, але і від калібровки робочого інструменту.

На рис. 9 і 10 показані отримані дані по величині стовщення стінки для мінімального і максимального значень параметру D/S заготовки. Аналіз даних дозволив зробити висновок про несуттєвий вплив співвідношення розмірів поперечного перерізу заготовки на відносну величину стовщення.

Величини фактичного радіуса сполучення сторін профілю, при величинах умовного радіуса сполучення сторін менше 3S, наведені на рис. 11 і 12, де R - зовнішній радіус заготовки.

Після апроксимації даних, наведених на рис. 8…12, були отримані наступні залежності, придатні для практичного використання.

Мінімально допустимий умовний радіус сполучення сторін, мм:

-для алюмінієвих сплавів

RНД = S1,2018(D/S)-0,2028;(1)

-для низьковуглецевих сталей

RНД = S1,0921(D/S)-0,1867 (2)

RН RНД

Фактичний радіус сполучення сторін профілю, мм:

-для алюмінієвих сплавів

RФ = RН1,5(RН/S)-0,0771; (3)

-для низьковуглецевих сталей

RФ = RН1,46(RН/S)-0,0845 (4)

Відносне стовщення стінки, %:

-для алюмінієвих сплавів

S = S19,572(RН/S)-1,4265; (5)

-для низьковуглецевих сталей

S = S16,422(RН/S)-1,7026 (6)

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ФОРМОЗМІНИ ТРУБИ У ЧОТИРЬОХВАЛКОВИХ КАЛІБРАХ

В задачу експериментальних досліджень входило вивчення формозміни при прокатці сталевих труб і труб із алюмінієвих сплавів, зокрема розширення уяви про механізм утворення увігнутості, що в свою чергу було використане при обґрунтуванні вибору методів теоретичних досліджень. Також перевірялися отримані раніше теоретичні залежності.

Експеримент було проведено в умовах лабораторії кафедри обробки металів тиском НМетАУ на прокатному стані 200. Використовувався чотирьохвалковий калібр, утворений парою приводних горизонтальних валків і парою неприводних вертикальних валків, встановлених у касету. В умовах лабораторії виготовлялися бандажі з гладкою бочкою і з однорадіусними рівчаками. Профілювання здійснювали без нагрівання заготовки і без використання мастила. У якості заготовки використовувалися електрозварені труби зі Сталі 20 з D/S від 7,5 до 50, труби зі сплавів АД31 з D/S=20 і АД00 з D/S=6,7.

На рис. 13 у вигляді графіків приведено залежності коефіцієнту витягування л від ступеня обтиснення квадратного профілю D/A в чотирьохвалкових калібрах. Невисокі показники поздовжньої деформації пояснюються стовщенням стінки в кутових зонах труб та зонах, що до них прилягають. Довжина зони, де стовщення стінки є значним, може досягати 30 % довжини сторони готової труби. Величини л підтверджують можливість використання двовимірних моделей для дослідження формозміни металу при холодному профілюванні прямокутних труб прокаткою.

Також проводилися експериментальні дослідження щодо визначення необхідного діаметра заготовки для значень параметру RН готових труб, що дорівнював 1…2,5S у диапазоні співвідношень сторін 1…1,5. Дослідження проводилися для труб зі Сталі 20 та сплаву АД31. Також використовувались дані з технічної літератури. За отриманими даними були встановлені наступні залежності:

D = 1,274(А+В)/2 - kS; (7)

k = - 0,12(RН/ S)2 + 1,18(RН/ S) - 1,135 (8)

Аналіз отриманих даних також дозволив виявити, що відносна похибка між експериментальними даними і результатами розрахунків за аналітичною моделлю при визначенні радіуса RФ сполучення сторін профілю труби складає менше 5 %. Відносна похибка між експериментальними даними і результатами математичного моделювання за допомогою МКЕ складає менше 10 % при визначенні фактичного RФ і умовного RН радіусів сполучення сторін профілю, стовщення стінки та при визначенні величини увігнутості сторін.

Одержані теоретичні і експериментальні дані дозволяють розробити технологію виробництва прямокутних труб з підвищеними показниками якості та точності геометричних розмірів поперечного перерізу.

РОЗРОБКА РАЦІОНАЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА ПРОФІЛЬНИХ ТРУБ. ПРАКТИЧНЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ

Запропонована схема профілювання труб підвищеної точності для трубоелектрозварювального стана передбачає використання для деформації двох клітей з чотирьохвалковими калібрами. Валки другої (чистової) кліті мають гладку бочку. Задача заготовки в цьому разі здійснюється клітями калібруючого блоку. У випадку використання окремого трубопрофільного стана рекомендовано перед першою кліттю встановити кліть дуо, що задає заготовку в чотирьохвалкову кліть (рис. 14), забезпечує умови захвату і корегує форму і периметр заготовки при можливому коливанні початкового периметра заготовки.

Для розробки методики розрахунку параметрів калібру першої кліті було використане математичне моделювання за допомогою обраної кінцево-елементної моделі. Розрахунки проводилися для Сталі 20 і сплаву AlMgSi0.6 в діапазоні D/S від 18 до 45. Радіус рівчака інструменту змінювався від 150 до 60 мм з інтервалом 10. Базисні умови моделювання приведені вище. Метою моделювання було отримання готової прямокутної труби зі співвідношенням сторін 1 і 1,3 та з величиною увігнутості сторони t/A < 0,00267. Таке значення параметра t/A є максимально можливим за умовами ГОСТ 8639 до квадратних і прямокутних труб високої точності виготовлення. Параметр RН/S змінювався у диапазоні від мінімально допустимого до RН/S = 2. Величина обтиску по висоті в кліті №1 повинна складати 75-80 % від загального обтиску по висоті і ширині труби в залежності від тонкостінності заготовки. Такий розподіл деформації між клітями був обумовлений необхідністю отримувати в кліті №1 профіль із заданими радіусами закруглення для готової труби, що дає змогу мінімізувати вплив пружної деформаціїї на геометричні розміри труби при прокатці в чистовій кліті. Завдяки такому розподіленню обтиску стає можливим досягнення підвищених показників точності готового профілю.

Діаметр заготовки D визначається залежностями (7), (8).

Після апроксимації отриманих даних було визначено наведені нижче залежності для розрахунку параметрів калібру кліті №1 при виробництві квадратних і прямокутних труб.

H1 = B 1,0722 (RН/S)-0.0225; (9)

B1 = A 1,0722 (RН/S)-0.0225, (10)

де H1 - висота калібру кліті №1 по дну рівчака, B1 - ширина калібру кліті №1 по дну рівчака.

Розміри однорадіусних рівчаків калібру кліті №1 визначаються за приведеними нижче залежностями.

Для алюмінієвих сплавів:

RГ = B (4,183 - 0,1D/S - 0,32 RН/S + 0,03 D/S RН/S); (11)

RВ = А (4,183 - 0,1D/S - 0,32 RН/S + 0,03 D/S RН/S), (12)

де RГ - радіус рівчака горизонтального валка кліті №1, RВ - радіус рівчака вертикального валка кліті №1.

Для низьковуглецевих сталей:

RГ = B (4,145 - 0,1D/S - 0,25 RН/S + 0,03 D/S RН/S); (13)

RВ = А (4,145 - 0,1D/S - 0,25 RН/S + 0,03 D/S RН/S) (14)

Висота і ширина калібра кліті №2 приймаються рівними розмірам готової труби.

Далі за відомими методиками розраховуються ширина робочої частини валків та їх діаметри.

Використовуючи результати, наведені на рис. 6, прокатку труб з низьковуглецевих сталей із заготовки з D/S 18 можливо вести у чотирьохвалкових калібрах з валками, що мають тільки гладку бочку, без виникнення увігнутості сторін, яка буде перевищувати вимоги стандартів. Для алюмінієвих сплавів таку схему можливо використовувати при D/S 17.

Наведені залежності та рекомендації дозволяють одержувати прямокутні труби зі співвідношенням сторін від 1 до 1,3 за вимогами ГОСТ 13663, ГОСТ 8639 і ГОСТ 8645 для квадратних і прямокутних труб нормальної і високої точності виготовлення, а також за вимогами світових стандартів.

В умовах Державного підприємства "Науково-виробничий центр "Електротермія" Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ на трубоелектрозварювальному стані 20-76 було проведено промисловий експеримент по профілюванню труби 30251,5 мм з RН/S=1. Прогин сторін та стовщення стінки отриманих труб відповідають вимогам ГОСТ 13663, ГОСТ 8639 і ГОСТ 8645 до прямокутних труб високої точності виготовлення.

На підставі подальших успішних промислових випробувань на Державному підприємстві "Науково-виробничий центр "Електротермія" Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ впроваджено технологію виробництва прямокутних труб підвищеної точності з розмірами 2525 мм та 3025 мм, товщиною стінки 1 і 1,5 мм з низьковуглецевих сталей (акт від 17.01.2005 р.) в лінії трубоелектрозварювального стану 20-76. Це дало можливість знизити витрати на валковий інструмент та знизити витрати часу на перевалку і настройку клітей.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримані теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає у визначенні закономірностей формозміни металу в залежності від матеріалу і геометричних розмірів заготовки та форми і розмірів робочого інструменту з урахуванням пружного розгину сторін профілю та розробці технології холодного профілювання квадратних і прямокутних труб підвищеної точності прокаткою в чотирьохвалкових калібрах.

Аналіз технологічних схем та методик розрахунку параметрів профілювання квадратних і прямокутних труб холодною прокаткою у клітях з чотирьохвалковим калібром показав, що дослідження, спрямовані на вивчення формозміни профілю труби в процесі профілювання з урахуванням комплексного впливу геометричних параметрів поперечного перерізу заготовки, величини пружного розгину сторін профілю після виходу із зони деформації та технологічних параметрів профілювання, є актуальними.

Обґрунтовано вибір двовимірної математичної моделі опису пружно-пластичної течії металу при профілюванні прямокутних труб холодною прокаткою в чотирьохвалкових калібрах та визначено експериментально і теоретично адекватність працездатності використаної моделі.

Вперше теоретично визначені мінімально допустимі величини радіусу закруглення кутових зон прямокутних труб, що дозволяє уникнути появи дефектів у вигляді складки на внутрішній поверхні при виробництві профілів з малими радіусами закруглення.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень величини увігнутості сторін профілю запропоновано проводити прокатку прямокутних труб зі співвідношенням сторін 1…1,3 з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів у чотирьохвалкових калібрах з валками, що мають тільки гладку бочку при відношенні розмірів заготовки D/S 18 та D/S 17 відповідно, без утворення увігнутості сторін, яка б перевищувала вимоги вітчизняних стандартів.

Одержало подальший розвиток теоретичне визначення залежності величини фактичного радіуса сполучення сторін профілю та стовщення стінки при профілюванні прямокутних труб від умовного радіуса сполучення сторін та матеріалу і тонкостінності заготовки, що дозволяє отримувати труби з більшою точністю розмірів поперечного перерізу.

Встановлено, що відносна похибка між експериментальними і отриманими за допомогою моделей, що використовувалися для теоретичних досліджень, даними становить менше 10 % при визначенні стовщення стінки, умовного і фактичного радіуса сполучення сторін та величини увігнутості сторін профілю.

Розширено діапазон експериментальних даних дослідження величини увігнутості сторін профільної труби та радіуса закруглення в кутових зонах. Зокрема, досліджено формозміну при профілювання труб з алюмінієвих сплавів АД00 і АД31 з D/S від 6,5 до 20 та труб зі Сталі 20 з D/S від 7,5 до 50.

У роботі отримана залежність між діаметром заготовки, товщиною стінки та величиною радіуса закруглення кутів профілю, що дозволило з належною точністю визначати периметр заготовки, необхідний для отримання профільних труб із заданими розмірами. Ця залежність визначена на основі експериментальних досліджень та частково з використанням даних, залучених з науково-технічної літератури.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень формозміни профілю труби в чотирьохвалкових калібрах розроблені методики розрахунку геометричних параметрів чотирьохвалкових калібрів для профілювання прямокутних труб підвищеної точності зі співвідношенням сторін 1…1,3. Визначені співвідношення між радіусами рівчака валка і заготовки у першій кліті при ступеню обтиску труби 75 - 80 % від загального обтиску труби по висоті і ширині приводять до скорочення кількості проходів, необхідних для отримання готового профілю підвищеної точності з трьох до двох при виробництві труб з низьковуглецевих сталей і алюмінієвих сплавів.

Результати роботи використані при розробці технічних пропозицій відносно створення виробництва профільних труб для ТОВ "ТСВ-Групп" (звіт з науково-дослідної роботи ДР № 0103U003218), при впровадженні технології виробництва прямокутних труб на ДП "НВЦ "Електротермія" Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України та при розробці нових режимів прокатки для виробництва квадратних і прямокутних труб з низьковуглецевих сталей (акт від 17.01.2005 р.), на кафедрі обробки металів тиском Національної металургійної академії України при читанні курсу “Виробництво металовиробів, пресованих і гнутих профілів” і при виконанні студентами кафедри дипломних проектів та випускних магістерських робіт (довідка від 10.02.2005 р.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО У РОБОТАХ

1. Бояркін В.В., Нікулін Е.В. Розрахунок діаметра заготовки для профілювання квадратних і прямокутних труб // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2002. - № 8-9. - С. 446-448.

2. Бояркин В.В., Никулин Э.В. Влияние диаметра заготовки на параметры профилирования квадратных и прямоугольных труб // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. ДДМА. - Краматорськ. - 2003. - С. 207-209.

3. Бояркин В.В., Никулин Э.В. Выбор технологических схем производства профильных труб // Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт": Машиностроение. - К.: НТУУ "КПІ". - 2003. - Вып. 44. - С. 60-63.

4. Бояркин В.В., Дыя Х., Данченко В.Н. Применение математического моделирования для анализа процесса профилирования квадратных и прямоугольных труб в четырехвалковых калибрах // Теория и практика металлургии. - 2004. - № 5. - С. 48-51.

5. Бояркин В.В., Данченко В.Н., Стефаник А. Определение минимального допустимого радиуса закругления в углах квадратных и прямоугольных труб // Металл и литье Украины. - 2004. - № 6. - С. 36-68.

6. Бояркин В.В., Дыя Х., Данченко В.Н. Исследование формирования сторон профиля квадратных и прямоугольных труб с применением математического моделирования // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2004. - № 6. - С. 52-55.

Размещено на Allbest.ru

...