Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 621.774.38

Спеціальність 05.03.05 - Процеси та машини обробки тиском

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розвиток методів визначення рАЦІОНАЛЬНих ПАРАМЕТРів ГаРЯЧОГО ПРЕСУВАННЯ ТРУБ ІЗ СПЛАВІВ, ЯКІ ВАЖКО ДЕФОРМУЮТЬСЯ, розширеного сортаменту

Безпалова Наталія Олександрівна

Дніпропетровськ -2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на Державному підприємстві "Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади" (ДП "НДТІ") Міністерства промислової політики України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, Медведєв Михайло Іванович, Державне підприємство "Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади", завідувач відділу технології виробництва труб гарячою деформацією, обробки труб.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Балакін Валерій Федорович, завідувач кафедри технологічного проектування Національної металургійної академії України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, Угрюмов Юрій Дмитрович, інженер ТПЦ-4 Відкритого акціонерного товариства "Інтерпайп НТЗ", Міністерства промислової політики, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться "13" січня 2009 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

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

Автореферат розісланий "12" грудня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський

Анотації

Безпалова Н.О. Розвиток методів визначення раціональних параметрів гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються, розширеного сортаменту. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05. - Процеси та машини обробки тиском. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2008.

Дисертація присвячена розвитку методів розрахунку температурно-деформаційних параметрів процесу гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються (раціонального температурного інтервалу нагріву гільз, опору деформації, сили пресування), методів розрахунку технологічного інструменту, коректуванню й впровадженню технології виробництва, які забезпечують розширення сортаменту за розмірами труб та марками сплавів, підвищення ефективності виробництва труб.

Вперше одержані для сплавів, які важко дефлрмуються, залежності опору деформації від вмісту легуючих елементів для промислових умов пресових установок.

Одержало подальший розвиток вдосконалення технології виготовлення пресованих труб в частині застосування видів та дозування технологічного мастила між технологічним інструментом й гільзою, методи розрахунку технологічного інструменту, які у сукупності з технічними рішеннями по експлуатації обладнання й інструмента, забезпечують підвищення точності та якості поверхні труб із сплавів, які важко деформуються.

Вперше визначені граничні значення температур нерівномірного керованого нагріву гільз для способу пресування труб із сплавів, які важко деформуються, що включає застосування рухомої ступінчастої оправки.

Відмінність полягає в урахуванні змінення температури гільз в процесі охолодження за час допоміжних операцій, розігріву метала в зоні деформації та особливостей технологічності вказаних сплавів при застосування рухомої ступінчастої оправки.

Це дозволяє забезпечити зниження навантаження на обладнання під час пресування й розширити сортамент пресованих труб убік зменшення товщини стінки до 20%.

Ключові слова: пресування, гільза, температурно-деформаційні параметри, матриця, оправка, технологічні мастила, сортамент, точність.

Беспалова Н.А. Развитие методов определения рациональных параметров горячего прессования труб из труднодеформируемых сплавов расширенного сортамента. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05. - Процессы и машины обработки давлением. - Национальная Металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2008.

Диссертация посвящена развитию методов определения температурно-деформационных параметров процесса горячего прессования труб из труднодеформируемых сплавов, расчета технологического инструмента, корректировке технологии производства, обеспечивающим расширение сортамента по размерам труб и маркам сплавов, повышение качества труб и эффективности производства.

Разработан метод определения рационального температурного интервала нагрева гильз для указанных сплавов с учетом изменения температуры гильз в процессе охлаждения за время вспомогательных операций и разогрева металла в зоне деформации, с использованием базовых величин, отражающих деформируемость гильз в промышленных условиях.

Получены зависимости для определения сопротивления деформации, учитывающие влияние температуры нагрева гильз, скорости и степени деформации, содержания легирующих элементов, а также для расчета силы прессования.

Практическое значение полученных результатов состоит в возможности расширения сортамента прессуемых труб по их размерам и получения труб из новых труднодеформируемых сплавов.

Получили дальнейшее развитие методы расчета технологического инструмента для прессования труб из труднодеформируемых сплавов.

Представлен метод определения коэффициентов для формул расчета прессового инструмента, позволяющий разрабатывать матрицы и иглы, применение которых в совокупности с техническими решениями по эксплуатации оборудования и инструмента, требованиями к исходной заготовке и дозировке стеклосмазки, дают возможность повысить точность геометрических размеров и качество поверхности готовых труб из труднодеформируемых сплавов. Разработаны требования к точности исходных заготовок, прессуемых на ОАО "Волжский трубный завод".

Впервые определены предельные значения температур неравномерного управляемого нагрева заготовок для способа прессования труб из труднодеформируемых сплавов с использованием подвижной ступенчатой оправки.

Учтены охлаждение заготовки за время вспомогательных операций, разогрев металла в зоне деформации и особенности деформируемости указанных сплавов при использовании ступенчатой оправки.

Это позволило обеспечить уменьшение нагрузок на оборудование при прессовании и расширение сортамента труб, изготавливаемых из труднодеформируемых сплавов на существующих трубопрессовых установках.

Ключевые слова: прессование, гильза, температурно-деформационные параметры, матрица, оправка, технологические смазки, сортамент, точность.

Bezpalova N.А. Development of methods for determination of the rational extrusion parameters in making tubes of hard deformable alloys of expanded product range.- Manuscript.

Dissertation for а Candidate^,s degree in Engineering, speciality 05.03.05.- Processes and Machines of processing by pressure. National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2008.

The methods of calculation of temperature-deformation parameters at hot extrusion of tubes of hard deformed alloys (determination of the temperature range of maximum alloy plasticity, deformation stress and extrusion force), methods of development of the processing tool design, correction and introduction of the tube production technology that ensures а wider size and alloy grade ranges and а higher efficiency of the tube production have been developed.

The technology of making extruded tubes, in particular use and dosage of the lubricants between the tool and the shell, methods of the tool design development that combined with the technical solutions in the equipment and tool operation ensure higher accuracy and quality of the tubes made of hard deformable alloys have also been developed.

For the first time in the tube industry, the limits of the temperature fields existing in non-uniformly heated shells for the extrusion of tubes of hard deformable alloys have been determined.

The difference consists in the determination of the dependencies of the limits of the temperature field on the shells temperature variation during their cooling in auxiliary operations, metal heating-up in the deformation zone, deformation stress and extrusion ratio.

The proposed method of extrusion of tubes ensures an additional reduction of "peak" forces and allows expanding of the extruded tube range toward up to 20% smaller tube wall thickness.

Keywords: extrusion, shell, temperature-deformations parameters, die, mandrel, process lubrication, product range, accuracy.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток авіаційної, хімічної промисловостей і атомної енергетики вимагає розширення сортаменту труб за геометричними розмірами та марками сплавів, які важко деформуються, типу ХН 60ВТ, ХН 77ТЮР, ХН 45Ю та ін., на нікелевій і залізонікелевій основі. Найбільш доцільним способом виготовлення труб із матеріалів, які важко деформуються, є процес гарячого пресування на установках із гідравлічними пресами.

За час транспортування від підігрівальної печі до початку пресування відбувається зниження температури гільз. Особливо це суттєво для сплавів на нікелевій і залізонікелевій основі, які мають вузький температурний інтервал максимальної пластичності.

В існуючих до виконання даної роботи методах визначення температурно-деформаційних параметрів пресування використовувались "статичні" величини, тобто такі, що визначаються механічними випробуваннями, а не опір деформації з урахуванням впливу охолоджування металу за час допоміжних операцій в базових умовах промислових трубопресових установок.

Відомі методи розрахунку пресового інструменту та технологічних параметрів не дозволяють забезпечувати зниження різностінності труб, поліпшувати якість їхньої поверхні, а також підвищувати вихід якісної продукції. Застосування існуючого технологічного інструменту не забезпечувало зменшення навантаження на обладнання під час пресування труб із сплавів, які важко деформуються.

Це стримувало розширення сортаменту труб за їхніми розмірами та марками сплавів, а також за показниками якості поверхні та їхньої точності.

У зв'язку з цим робота, що спрямована на розвиток методів визначення температурно-деформаційних параметрів і розрахунку технологічного інструменту на базі аналітичних та експериментальних досліджень впливу технологічних параметрів на точність і якість поверхні виробів з метою розширення сортаменту труб за їхніми розмірами та марками сплавів, є актуальною.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами і темами. Вибраний напрям досліджень пов'язаний з наступними державними програмами - "Комплексною програмою створення ядерно-паливного циклу в Україні" (переглянутою й затвердженою Постановою КМУ від 06.06.2000 р. № 634-8), "Ресурсозберігаючі інженерні комунікації" та "Розвиток і реформування гірничо-металургійного комплексу" (затвердженою Постановою КМУ від 28.07.2004 р. № 967), із "Енергетичною стратегією України на період до 2030 р.", із "Основними напрямками державної політики у сфері забезпечення енергетичної безпеки України" (ухваленою Указом Президента від 27.12.2005 р. № 1868 / 2005), а також з планами ДП "НДТІ" по роботах з ВАТ "Волжский трубный завод" і ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб".

Науково-дослідні роботи ДР № 0106U009141, ДР № 0106U009144, ДР № 0107U011915 з ВАТ "Волжский трубный завод" і ДР № 0106U009140 із ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб", співвиконавцем яких являється автор, є базовими для підготовки і подачі дисертаційної роботи.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розвиток методів визначення раціональних, з точки зору зменшення навантаження, температурно-деформаційних параметрів процесу гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються, методів розрахунку технологічного інструменту, коректування і впровадження технології виробництва, що забезпечує отримання точних і якісних труб розширеного сортаменту.

У зв'язку з вищевикладеним в роботі були поставлені наступні завдання:

розвинути метод визначення раціонального температурного інтервалу нагріву гільз, опору деформації і сили пресування для сплавів, які важко деформуються, з урахуванням змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій, розігрівання металу в зоні деформації, а також базових величин, що відображають деформовність гільз в промислових умовах;

визначити залежності опору деформації від вмісту легуючих елементів при гарячому пресуванні труб із сплавів, які важко деформуються, для базових умов трубопресових установок;

- розвинути метод визначення коефіцієнтів для формул розрахунку технологічного інструменту з урахуванням впливу деформації правки;

- визначити граничні значення температур нерівномірного керованого нагріву заготовок для способів пресування труб із сплавів, які важко деформуються, з використанням рухомої ступінчастої оправки;

- визначити раціональні технологічні параметри для ряду сплавів, які важко деформуються (вимоги до заготовки, раціональне дозування скляного мастила, калібровки матриць), щодо коректування технології пресування труб з метою підвищення їхньої точності і якості поверхні;

- експериментально оцінити достовірність теоретичних рішень і впровадити розробки у виробництво пресованих труб.

Об'єкт дослідження. Технологія процесу пресування труб із сплавів, які важко деформуються.

Предмет дослідження. Закономірності впливу температурно-деформаційних параметрів процесу пресування, геометричних розмірів і калібровки пресового інструменту, технологічних мастил на точність і якість поверхні труб із сплавів, які важко деформуються.

Методи дослідження. Аналітичні дослідження базуються на закономірностях теорії обробки металів тиском із залученням теорії теплопровідності в твердих тілах, гідродинаміки в'язких рідин, методу теплових діаграм. Експериментальні дослідження в умовах промислових пресів ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і ВАТ "Волжский трубный завод" для визначення силових параметрів процесу виконані методом електротензометрії; дослідження температурних параметрів проведені безконтактним методом із застосуванням оптичного пірометра; для дослідження точності труб застосовано ультразвуковий метод контролю. У опрацюванні експериментальних даних були використані методи математичної статистики.

Достовірність отриманих результатів підтверджена даними порівняльного аналізу експериментальних і аналітичних досліджень процесу, а також їхньою дослідно-промисловою реалізацією.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації отримані наступні нові результати.

1. На основі удосконалення способу термомеханічних коефіціентів і результатів експериментальних досліджень отримав подальший розвиток метод визначення температурно-деформаційних параметрів пресування труб із сплавів, які важко деформуються.

Відмінність полягає в урахуванні впливу зниження температури металу за час допоміжних операцій в промислових умовах і у використанні в методі термомеханічних коефіцієнтів базових величин опору деформації, які характерні для реальної схеми напружного стану металу на діючих пресових установках: при збільшених ступенях деформації до 90 %, температурі металу до 1250⁰ та швидкості деформації до 100 с^-1.

Це дає можливість суттєво підвищити точність визначення поточних та раціональних температурно-деформаційних параметрів процесу пресування, що забезпечує розширення сортаменту пресованих труб за їхніми розмірами.

2. Вперше на основі експериментальних досліджень одержані залежності опору деформації від вмісту легуючих елементів для базових умов існуючих трубопресових установок.

Для сплавів на основі нікелю, які важко деформуються, такі залежності раніше не були відомі.

Одержані залежності дозволяють визначати деформаційні параметри процесу пресування, що забезпечують розширення сортаменту пресованих труб за марками сплавів, які важко деформуються.

3. Отримали подальший розвиток методи розрахунку технологічного інструменту для пресування труб із сплавів, які важко деформуються.

Відмінність полягає в урахуванні змінення температури металу під час пресування, властивостей матеріалу виробу та параметрів мастила, впливу зносу інструменту, а також в урахуванні величини деформації правки.

Розробка забезпечує максимальне наближення середнього діаметру готових труб до необхідного діаметру в полі допуску, визначеного нормативними документами, що сприяє підвищенню виходу якісної продукції.

4. Вперше визначені граничні значення температур нерівномірного керованого нагріву заготовок для способів пресування труб із сплавів, які важко деформуються, з використанням рухомої ступінчастої оправки.

Відмінність полягає в урахуванні охолоджування заготовки за час допоміжних операцій, розігрівання металу в зоні деформації і особливостей технологічності досліджуваних сплавів у разі використання ступінчастої оправки.

Це дозволило забезпечити зменшення навантаження на обладнання під час пресування та розширення сортаменту труб, що виготовляються із сплавів, які важко деформуються, на існуючих трубопресових установках.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження процесу гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються, дозволили:

- розробити алгоритм визначення раціональних параметрів пресування труб із сплавів, які важко деформуються, що забезпечують отримання якісних пресованих труб, а також можливість виготовлення заданих типорозмірів труб із освоєних сплавів, та розробляти технологію пресування труб із нових сплавів, які важко деформуються;

- визначити раціональні параметри реалізації нового способу пресування труб із застосуванням рухомої ступінчастої оправки і нерівномірного керованого нагріву заготовки (патент України № 12579), які забезпечують зменшення "пікових сил" пресування, що дозволяє розширити сортамент пресованих труб із сплавів, які важко деформуються, у бік зменшення товщини стінки до 20%;

- розробити комплекс заходів (коректування вимог до точності заготовки, раціональне дозування скляного мастила, калібровка матриць), щодо коректування технології пресування труб із сплавів, які важко деформуються, з метою зниження різностінності труб, поліпшення якості їхньої поверхні і підвищення виходу якісної продукції.

Результати дисертаційної роботи, метод розрахунку технологічних параметрів, пресового інструменту, рекомендації щодо поліпшення якості труб і підвищення ефективності процесу пресування, застосуванню технологічних мастил використані на ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і ВАТ "Волжский трубный завод" (Росія) у виробництві дослідних й промислових партій труб із сплавів, які важко деформуються: ХН 78Т, ХН 45Ю, 06ХН 28МДТ (ЭИ 943), ХН 40МДБ (ЭП 937), 03ХН 30МДБ (ЭК 77) та ін. (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 10.04.2008 р.).

Основні результати аналітичних і експериментальних досліджень використовуються в науково-дослідних і проектно-конструкторських розробках ДП "НДТІ" (довідка від 03.03.2008 р.).

Особистий внесок здобувача. Автор здійснила постановку завдань, виконала теоретичні дослідження, брала участь в проведенні дослідно-промислових випробувань результатів роботи. Всі принципові теоретичні і експериментальні результати, які одержані в дисертації, засновані на дослідженнях, проведених автором. У дисертації не використані ідеї співавторів публікацій. Особистий внесок здобувача в публікаціях із співавторами полягає в наступному: [1, 2, 3] - розробка основних положень методу визначення технологічних параметрів пресування труб; [4, 5, 8] - розрахунок змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій, дослідження залежності опору деформації від технологічних параметрів ряду матеріалів, дослідження розігрівання металу; [6, 7] - участь в розробці і проведенні експериментів, обробка отриманих результатів; [9] - участь в розробці нового способу виробництва труб. Автору належать розробки по коректуванню технології виготовлення труб із сплавів, які важко деформуються, аналіз отриманих результатів та їх узагальнення.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених в дисертаційну роботу, доповідалися й обговорювалися: на 7-й Міжнародній науково-технічній конференції "Пластична деформація металів" (Дніпропетровськ, 2005), Міжнародному семінарі "Нове в розробці, виробництві і застосуванні спеціальних сталей і сплавів" (Запоріжжя, 2006), Міжнародній конференції "Труби-Україна-2007" (Дніпропетровськ, 2007), на засіданні науково-технічної ради ДП "НДТІ" (Дніпропетровськ, 2008), семінарі кафедри ОМТ НМетАУ (Дніпропетровськ, 2008).

Публікації. Матеріали дисертації викладені в 9 публікаціях. Серед них: 5 статей у спеціалізованих виданнях згідно переліку ВАК України, 2 тези доповідей й 1 стаття у іншому виданні, 1 деклараційний патент України.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація викладена на 135 сторінках, містить 21 рисунок, 18 таблиць, список використаних джерел з 99 найменувань, 3 додатки.

Основний зміст роботи

У вступі представлена загальна характеристика роботи: обгрунтована актуальність теми, визначена мета, завдання, об'єкт, предмет і методи досліджень, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, публікації, апробація отриманих результатів і структура дисертації.

Аналіз наукових досліджень і розробок

Рівень розвитку технологій і устаткування процесів гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються, значною мірою визначається теоретичними основами, в створення і вдосконалення яких значний внесок внесли учені І.Л. Перлін, С.І. Губкин, Г.А. Смірнов-Аляєв, В.Л. Колмогоров, М.Я. Дзугутов, Л.В. Прозоров, Г.І. Гуляєв, Ю.Ф. Шевакін, Г.Я. Гун, В.Я. Остренко, А.Є. Притоманов, Ю.В. Манегін, В.Ф. Балакін, К.Н. Шевченко, В.Х. Касьян, М.І. Медведєв, Г.П. Блощинський та ін.

Найважливішим напрямом в забезпеченні ефективного використання металу і освоєння нових сплавів є дослідження деформовності металів без руйнування, вибір технологічного процесу і розробка раціональних технологічних параметрів обробки, забезпечуючих високу якість виробів і низький витратний коефіцієнт металу.

Як показав аналіз літературних джерел і сучасний стан технології виробництва труб, в розглянутих методах визначення температурно-деформаційних параметрів процесу гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються, не враховується змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій.

Для визначення опору деформації металу більшість авторів використовують "статичні величини", які визначаються механічними випробуваннями, а не базові, що відображають деформовність виробів в промислових умовах.

В даний час відсутні залежності опору деформації сплавів, які важко деформуються, від вмісту легуючих елементів для різних пресових установок в промислових умовах.

Точність пресованих труб із сплавів, які важко деформуються, виготовлених із застосуванням технологічного інструменту на пресових установках, розрахованого по існуючих формулах, не відповідає вимогам нормативних документів.

У зв'язку з вищевикладеним, виникає необхідність розвитку методів визначення температурно-деформаційних режимів і розрахунку технологічного інструменту пресування труб із сплавів, які важко деформуються, на базі аналітичних і експериментальних досліджень впливу геометрії інструменту, технологічних параметрів на точність і якість пресованих труб.

Теоретичний аналіз і розрахунок температурно-деформаційних параметрів пресування труб із сплавів, які важко деформуються

Аналіз змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій. Для пресових установок ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" й ВАТ "Волжский трубный завод" на кожній стадії охолоджування гільз: на повітрі, при нанесенні мастила, на повітрі під шаром мастила, в контейнері та при розпресовці, виконані теплотехнічні розрахунки для визначення змінення температури гільз.

Охолоджування гільз із сплавів, які важко деформуються, на повітрі та в контейнері при температурі навколишнього середовища 400⁰С визначали за допомогою методу теплових діаграм (1), охолоджування гільз при нанесенні мастила визначали із залученням методу теплового балансу (2); охолоджування гільз при розпресовці розраховували за допомогою методу теплових діаграм, скориставшись поняттям середньої калориметричної температури (3).

; (1)

; (2)

, (3)

де q_ср - середній тепловий потік; - час охолоджування; С_m - питома теплоемність металу; - щільність металу; S - товщина стінки гільз, Т_г - температура гільз, ⁰С.

Порівняльний аналіз розрахункових і фактичних даних для гільз із сплаву ЭИ 435 діаметром 82 мм і товщиною стінки 25 мм показав позитивні результати. Відхилення розрахункових данних від фактичних значень не більш 5%.

Коректування температурних умов пресування залежно від товщини стінки і температури нагріву гільз. Результати розрахунку сумарної зміни температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій дозволили зробити висновок про те, що при однаковій температурі нагріву для всіх пресових установок змінення температури гільз в процесі охолоджування обернено пропорційно до товщини стінки гільз. Також лінійна залежність коефіцієнта пропорційності Z () від температури нагріву гільз. Це дає можливість перераховувати змінення температури гільз в процесі охолоджування залежно від температури нагріву і товщини стінки гільз, використовуючи базові значення цих величин. Такими базовими умовами для пресів ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" є Т ₀ = 1150 ⁰С і S₀ = 50 мм, для пресів ВАТ "Волжский трубный завод", прес 20МН - Т ₀ = 1200 ⁰С і S₀ = 50 мм, прес 55 МН - Т ₀ = 1200 ⁰С і S₀ = 80 мм.

Для пресових установок зусиллям 31,5 МН, 20 МН, 55 МН змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій у разі одночасного відхилення товщини стінки і температури нагріву від базових величин визначили в загальному вигляді:

, (4)

де k₁ = 1,32; 2,8; 2,43; k₂ = 2730; 2140; 3530; k₃ = 115; 113; 115 - коефіцієнти, які враховують базові умови пресових установок зусиллям 31,5 МН, 20 МН, 55 МН; Т_{Н -} температура нагріву гільз.

Дослідження залежності опору деформації від технологічних параметрів пресування. У загальному вигляді величину опору деформації можна представити як:

, (5)

де с₀ - опір деформації для базових умов для кожної пресової установки; - коефіцієнти, що враховують відхилення температури нагріву і товщини стінки гільз, швидкості і ступеня деформації від базових значень.

Для пресів ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб":

; (6)

- для преса 20 МН ВАТ "Волжский трубный завод":

; (7)

- для преса 55 МН ВАТ "Волжский трубный завод":

; (8)

, (9)

де m- коефіцієнт, що враховує вплив температури нагріву гільз на опір деформації; D_k - діаметр контейнера; D_k0 - базовий діаметр контейнера (для пресів зусиллям 31,5 МН та 20 МН він рівний 195 мм, для преса 55 МН -341 мм).

Коефіцієнт К прийняли рівним одиниці, а вплив змінення ступеня деформації на опір деформації врахований при визначенні зміни розігрівання металу.

Розігрівання металу у зоні деформації. Для визначення величини розігрівання металу в зоні деформації в роботі запропонована наступна формула:

, (10)

де µ - коефіцієнт витяжки (µ=5-15).

Правомірність залежності (10) перевірили при зіставленні розрахункових і експериментальних даних пресування труб розміром 95х 10 мм із сплаву ЧС 42 на пресі зусиллям 31,5 МН ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і труб розміром 203х 11 мм із сплаву ЧС 57 на пресі зусиллям 55 МН ВАТ "Волжский трубный завод" для базових умов.

Урахування впливу змінення ступеня деформації на величину розігрівання металу в зоні деформації рекомендується визначати по формулі:

, (11)

де µ₀ = 8.

Експериментальне дослідження особливостей пресування труб із сплавів, які важко деформуються

Аналіз деформовності сплавів при пресуванні труб. Проведений аналіз залежності деформовності вказаних сплавів від хімічного складу. Визначено вплив таких легуючих елементів, як Ni, Cr, W, Мо, Nb, V, Mn, Ti, Al на температуру максимальної пластичності й опір деформації.

Визначення залежності опору деформації від вмісту легуючих елементів для сплавів, які важко деформуються. Для базових умов пресових установок зусиллям 31,5 МН, 20 МН, та 55 МН, при обробці за допомогою методів математичної статистики результатів пресування більш 30-ти сплавів, які важко деформуються, таких як ЭП 670(ХН 32Т), ЭП 747(ХН 45Т), ЭИ 435(ХН 78Т), ЭП 337(ХН 40Б) та ін., одержані формули для розрахунку опору деформації залежно від вмісту легуючих елементів.

Пресування труб розмірами 76-159х 8-20 мм здійснювалося на пресі зусиллям 31,5 МН ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб", 76-168х 8-20 мм - на пресі 20 МН, 133-245х 8-30 мм - на пресі 55 МН ВАТ "Волжский трубный завод".

Для пресів ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб":

. (12)

При пресуванні труб в умовах ВАТ "Волжский трубный завод" із аустенітних сталей і сплавів із вмістом Ni20% для преса 20 МН:

; (13)

- для преса 55 МН:

; (14)

з хромомарганцовістих сталей для преса 20 МН:

; (15)

- для преса 55 МН:

; (16)

з феритних сталей типу Х 25Т:

; (17)

з двофазних неіржавіючих сталей (аустенит+феррит) ₀ займає проміжне положення між феритними і аустенітними сталями типу Х 18Н 10Т:

(18)

Аналіз факторів, що мають вплив на вибір максимально допустимої температури в зоні деформації. Окрім хімічного складу - це вимоги до структури металу пресованих труб, точність нагріву і фазовий склад сплаву. Аналіз вказаних факторів при пресуванні заготовок із сплавів ЭП 630 і ЭП 543У-ІД і плющенню клиновидних зразків із сплавів ВЖ 98, ЭП 814 дозволив визначити максимально допустимі температури металу в зоні деформації для сплавів, які важко деформуються, з урахуванням вмісту легуючих елементів, створюючих інтерметалідну фазу (Ti+1,5Nb+Al), і зміцнюючих елементів (Mo+W+V).

Розвиток методів визначення технологічних параметрів процесу пресування труб із сплавів, які важко деформуються

Метод і алгоритм визначення температурно-деформаційних параметрів пресування труб. Розроблені метод і алгоритм визначення раціональних температурно-деформаційних параметрів пресування, які включають:

- визначення опору деформації по залежностях, що враховують вплив температури нагріву гільз, швидкості і ступеня деформації.

Для пресів ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб":

; (19)

- для преса 20 МН ВАТ "Волжский трубный завод":

; (20)

- для преса 55 МН ВАТ "Волжский трубный завод":

; (21)

- визначення сили пресування:

при ; (22)

- визначення максимальної температури нагріву гільз з урахуванням змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій, розігрівання металу в зоні деформації і коректування при одночасному відхиленні товщини стінки і температури нагріву гільз від базових величин в загальному вигляді:

, (23)

де t_{0 -} базове змінення температури гільзи в процесі охолоджування;

- для пресів зусиллям 31,5 МН:

; (24)

- для преса зусиллям 20 МН:

; (25)

- для преса зусиллям 55 МН:

, (26)

де ₁, ₂ - коефіцієнти, що враховують відхилення Т_Н від Т ₀ при базових умовах.

- визначення мінімальної температури нагріву гільз, виходячи з силових умов процесу пресування:

, (27)

де _{1 -} опір деформації сплава при Т_Нmax;

- вибір раціонального інтервалу температур нагріву гільз, який враховує вимоги по МКК, величині зерна, механічним властивостям і енерговитратам.

Максимальна температура нагріву гільз для нових марок сплавів визначається з умови:

при ; (28)

, (29)

звідки . (30)

При відхиленні коефіцієнта витяжки для даного розміру труб від розрахованого по формулі (30), величина Т_нmах коректується на величину ().

Методи розрахунку технологічного інструменту для пресування труб із сплавів, які важко деформуються. Розроблений метод визначення коефіцієнтів для формул розрахунку (31-34) матриць і голок для базових умов пресових установок з застосуванням скляного мастила Ф-1, товщиною мастильного шару в зоні деформації 0,02 мм:

- для вуглецевих і легованих сталей

; (31)

; (32)

- для неіржавіючих сталей

; (33)

, (34)

де d_матр, d_тр - внутрішні діаметри матриці та труби; d_гол - діаметр голки; D_тр- зовнішній діаметр труби.

Метод визначення коефіцієнтів для формул розрахунку інструменту забезпечує максимальне наближення середнього діаметру виготовлених труб в партії до номінального діаметру труб з урахуванням правки, так і без неї, або до діаметру труб, що знаходиться на верхньому або нижньому значенні того, що допускається вимогами нормативних документів.

У роботі представлені наступні залежності визначення коефіцієнтів для формул розрахунку (31-34) технологічного інструменту (матриць і голок):

; (35)

. (36)

Правомірність методу перевіряли шляхом аналізу вимірів дослідних партій труб в діапазоні типорозмірів по діаметру 50-219 мм із товщиною стінки 4,5-22 мм, які виготовлені на пресових установках зусиллям 20 МН та 55 МН. Виготовлені труби задовольняють вимогам нормативних документів.

Визначення граничних значень температур нерівномірного керованого нагріву гільз для способу пресування труб із сплавів, які важко деформуються, із застосуванням рухомої ступінчастого оправки. У роботі набуто граничні значення температур нерівномірного керованого нагріву гільз для способу пресування труб із сплавів, які важко деформуються, із використанням рухомої ступінчастої оправки.

Нижнє граничне значення діапазону, температура нагріву основної частини заготовки, Т_осн, визначається згідно залежності (27). Верхнє граничне значення, температура нагріву переднього кінця заготовки, довжина якого 10 % від довжини заготовки, Т_п, по формулі:

, (37)

де . (38)

При цьому Т_п, не повинне перевищувати значення, розраховане за формулами (24-26).

Представлений спосіб пресування труб забезпечує зниження "пікових сил" пресування і, відповідно, дозволяє розширити сортамент пресованих труб у бік зменшення товщини стінки до 20%. Спосіб випробуваний на горизонтальному пресі із робочим зусиллям 5,0 МН при пресуванні труб діаметром 45 мм контейнера з діаметром втулки 100 мм із сталі 12Х 18Н 10Т. Даний спосіб пресування труб захищений патентом України [9].

Розробка заходів, щодо коректування технології пресування труб із сплавів, які важко деформуються

Аналіз впливу технологічних параметрів пресування на точність і якість труб. Показано, що точність готових труб є результатом деформації на всіх етапах виробництва. Аналіз рівня різностінності гарячепресованих труб із сталі 12Х 18Н 10Т був проведений в промислових умовах на трубопресових установках ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і ВАТ "Волжский трубный завод". Дослідження проводили на трубах наступних типорозмірів: 108х 5,0 мм, 102х 6,0 мм, 95х 10,0 мм, 89х 4,5 мм, 76х 4,5 мм, 76х 10,0 мм, 133х 10,0 мм, 194х 10,0 мм, 219х 10,0 мм.

Розглянуті основні причини різностінності труб, такі як точність початкової заготовки, довжина заготовки, точність настройки преса, температура нагріву гільз, і розроблений комплекс заходів щодо коректування технології процесу пресування труб з метою підвищення їх якості.

Аналіз видів, розробка дозування і вимог до грануляційного складу технологічних мастил при пресуванні труб із сплавів, які важко деформуються. Аналіз роботи технологічних мастил, вживаних при пресуванні труб із сплавів, які важко деформуються, таких як Ф-1, Ф-2, 120, 117, 185в і ін., дозволив визначити:

залежність для розрахунку дозування скляного мастила Ф-1, що наноситься на внутрішню поверхню гільз:

; (39)

залежність для розрахунку товщини скляних шайб, що встановлюються на матрицю:

; (40)

вимоги до грануляційного складу скляного мастила Ф-1.

Так, склад вказаного скляного мастила повинен включати не менше 20% гранул фракції 0,63 мм, який забезпечує підвищення якості готових труб і зниження витрати мастила (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 10.04.2008 р.).

Розробка вимог до точності початкових заготовок. Проведений аналіз однієї з основних причин різностінності труб - різностінності початкової заготовки. На підставі експериментальних даних одержані залежності різностінності пресованих труб (на прикладі труб типорозміром 38х 1,8 мм) від різностінності заготовок і від їх ексцентричності (на прикладі труб типорозміром 194х 10 мм).

Визначений допустимий рівень різностінності і ексцентричності гільз, на підставі якого розроблені вимоги до точності гільз, що пресуються на ВАТ "Волжский трубный завод".

Розробка калібровки матриць для пресового цеху ВАТ "Волжский трубный завод". У роботі запропоноване для пресування труб із сплавів, які важко деформуються, плоско-конічну калібровку матриць, із виконанням конуса на матричному кільці при збереженні плоскої калібровки обойми. Кут конусності 120-140⁰ при радіусі скруглення 8-10 мм з одночасним збільшенням товщини скляної шайби, що встановлюється на матрицю, в 2-3 рази. При цьому в процесі витікання металу в об'ємі скляної шайби утворюється природний кут течії і вихідна сторона зони деформації набуває конічної форми.

Розробка комплексу заходів щодо коректування технології пресування труб з метою підвищення їх якості. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження по аналізу формування різностінності труб і визначенню причин основних дефектів труб, таких як кільцевий надрив в нижній частині гільз, внутрішні ризики на передніх кінцях труб, поперечна "рябізна" на задніх кінцях труб, дозволили розробити комплекс заходів і рекомендацій по коректуванню технології пресування труб, що забезпечують підвищення точності готової продукції, поліпшення якості поверхні і зниження витратного коефіцієнта металу (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 10.04.2008 р.).

Розробка раціональних температурно-деформаційних параметрів пресування труб для ряду сплавів, які важко деформуються. Розроблені раціональні температурно-деформаційні параметри пресування труб: визначені максимальна температура в зоні деформації, опір деформації для базових умов, температурний інтервал нагріву гільз, інтервал опору деформації для ряду сплавів, які важко деформуються, таких як ХН 45Ю, ХН 77ТЮР, ХН 70Ю, ХН 45МБ, ХН 55МБЦ та ін., які використовуються в науково-дослідних роботах ДП "НДТІ" (довідка від 03.03.2008 р.).

Висновки

труба сплав деформаційний сортамент

У дисертації одержано теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в розробленні методу визначення раціональних температурно-деформаційних параметрів процесу гарячого пресування труб із сплавів, які важко деформуються, методів розрахунку технологічного інструменту, коректуванні технології виробництва труб на базі аналітичних та експериментальних досліджень впливу технологічних параметрів на точність та якість продукції, з метою розширення сортаменту за розмірами труб та марками сплавів.

1. Огляд літературних джерел і сучасний стан технології виробництва труб показали, що методи визначення температурно-деформаційних параметрів і розрахунку технологічного інструменту для пресування труб із сплавів, які важко деформуються, не задовольняють потреби споживачів унаслідок недостатнього забезпечення показників якості продукції і розширення сортаменту за геометричними розмірами і марками сплавів. Це обмежує можливості використання процесу гарячого пресування і робить розглянуту в роботі проблему актуальною.

2. Одержані залежності для визначення змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій при пресуванні труб із сплавів, які важко деформуються, з урахуванням відхилення температури нагріву і товщини стінки гільз від базових величин для пресових установок ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і ВАТ "Волжский трубный завод".

3. Представлений метод визначення раціонального температурного інтервалу нагріву гільз, з урахуванням змінення температури гільз в процесі охолоджування за час допоміжних операцій; сили пресування; розігрівання металу в зоні деформації; опору деформації з урахуванням залежності від технологічних параметрів пресування труб (температури нагріву, швидкості і ступеня деформації), а також використання базових величин, що відображають деформовність виробів в промислових умовах.

Вказаний метод дозволив розробити раціональні температурно-деформаційні режими для вдосконалення існуючих технологій для пресових установок ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і ВАТ "Волжский трубный завод" для труб діаметром в діапазоні 83-203 мм, з товщиною стінки в діапазоні 6-28 мм для контейнерів базових діаметрів із 60-ти марок сплавів, які важко деформуються.

4. На базі експериментальних досліджень встановлені залежності опору деформації сплавів, які важко деформуються, від вмісту легуючих елементів для промислових умов пресових установок, які дозволяють освоювати виробництво труб із нових марок сплавів, які важко деформуються, таких як ЭП 670(ХН 32Т), ЭП 747(ХН 45Т), ЭИ 435(ХН 78Т), ЭП 337(ХН 40Б) і ін.

Визначені інтервали допустимих температур металу в зоні деформації з урахуванням кількості легуючих елементів, створюючих інтерметалідну фазу (Ti+1,5Nb+Al) до 5% і зміцнюючих елементів (Mo+W+V) до 30% для сплавів, які важко деформуються.

5. За допомогою методів розрахунку технологічного інструменту для пресування труб із сплавів, які важко деформуються, визначені коефіцієнти для формул розрахунку діаметрів матриць і голок, застосування яких забезпечило максимальне наближення середнього діаметру виготовлених труб в діапазоні типорозмірів по діаметру 50-219 мм із товщиною стінки 4,5-22 мм, на пресових установках ВАТ "Волжский трубный завод", до номінального діаметру труб з урахуванням деформації правки, згідно вимогам нормативних документів.

6. Вперше визначені граничні значення температур нерівномірного керованого нагріву заготовок для способу пресування труб із сплавів, які важко деформуються, з використанням рухомої ступінчастої оправки.

Це дозволило забезпечити зменшення "пікових сил" пресування до 15% і розширення сортаменту труб сплавів, які важко деформуються, що виготовляються на існуючих трубопресових установках, у бік зменшення товщини стінки до 20%.

7. Розроблені залежності, по яких визначені раціональні дозування скляного мастила, що наноситься на внутрішню поверхню гільз, товщини скляних шайб, що встановлюються на матрицю і вимоги до грануляційного складу мастила Ф-1 для пресових установок ВАТ "Волжский трубный завод".

Визначений допустимий рівень різностінності і ексцентричності гільз, який був перевірений для труб типорозміру 38х 1,8 мм і 194х 10 мм, і став основою для розробки вимог до точності гільз, що пресуються на ВАТ "Волжский трубный завод".

Для пресування труб із сплавів, що важко деформуються, на пресових установках ВАТ "Волжский трубный завод" запропоноване плоско-конічну калібровку матриці з виконанням конуса на матричному кільці при збереженні плоскої калібровки обойми. Кут конусності 120-140⁰ при радіусі скруглення 8-10 мм з одночасним збільшенням товщини скляної шайби в 2-3 рази.

8. Результати дисертаційної роботи, методи розрахунку температурно-деформаційних параметрів, технологічного інструменту, рекомендації по поліпшенню якості поверхні труб і підвищенню ефективності процесу пресування, застосуванню технологічних мастил використані на ЗАТ "Нікопольський завод неіржавіючих труб" і ВАТ "Волжский трубный завод" (Росія) у виробництві дослідних й промислових партій труб із сплавів, які важко деформуються: ХН 78Т, ХН 45Ю, 06ХН 28МДТ (ЭИ 943), ХН 40МДБ (ЭП 937), 03ХН 30МДБ (ЭК 77) і ін. (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 10.04.2008 р.).

Основні результати аналітичних і експериментальних досліджень використовуються в науково-дослідних і проектно-конструкторських розробках ДП "НДТІ" (довідка від 03.03.2008 р.).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Основные параметры прессования труб из труднодеформируемых сталей и сплавов / А.Г. Ляльков, М.И. Медведев, А.К. Царьков, Н.А. Беспалова // Металлург. - 2006. - № 4. - С. 66-68.

2. Медведев М.И. Методика определения основных параметров прессования труб из труднодеформируемых сталей и сплавов / М.И. Медведев, Н.А. Беспалова, А.К. Царьков // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - № 3. - С. 56-59.

3. Медведев М.И. Методика определения корректировочных коэффициентов для расчета технологического инструмента горизонтальных гидравлических прессов Волжского трубного завода / М.И. Медведев, Н.А. Беспалова, И.И. Лубе // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2007. - № 4. - С. 55-57.

4. Исследование особенностей процесса горячего прессования стальных труб / А.Г. Ляльков, И.И. Лубе, М.И. Медведев, Н.А. Беспалова, Т.Л. Карасик, А.П. Коликов // Производство проката. - 2006. - № 3. - С. 28-31.

5. Основные параметры прессования труб из труднодеформируемых сталей и сплавов / А.Г. Ляльков, М.И. Медведев, А.К. Царьков, Н.А. Беспалова // Сталь.- 2006. - № 7. - С. 57-61.

6. Оценка прочности игл при горячем прессовании труб / А.Г. Ляльков, И.И. Лубе, М.И. Медведев, Н.А. Беспалова, Т.Л. Карасик // Сталь. - 2005. - № 6. - С. 96-100.

7. Точность труб на установках с горизонтальными гидравлическими прессами / А.Г. Ляльков, И.И. Лубе, М.И. Медведев, Н.А. Беспалова // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів.- Дніпропетровськ: "Системні технології", 2005. - С. 394-397.

8. К расчету ограничивающих факторов процесса горячего прессования труб / А.Г. Ляльков, И.И. Лубе, М.И. Медведев, Н.А. Беспалова, Т.Л. Карасик // Сучасні проблеми металургії. Наукові вісті. Том 8. Пластична деформація металів.- Дніпропетровськ: "Системні технології", 2005. - С. 388-393.

9. Пат. 12579 Україна, МПК В 21 С 23/08, В 21 С 25/04. Спосіб пресування труб / М. І. Медведєв, Г.П. Блощинський, Н.О. Безпалова, С.В. Атанасов, М.В. Винокуров, І. Г. Ковбаса (Україна), В.Б. Восходов, А.Г. Ляльков, И.И. Лубе (Росія); заявник та власник патенту ДП Наук.-досл. та конст.-техн. ін-т труб. пром. - № 2005 07910; заявл. 09.08.2005; опубл. 15.02.2006, Бюл. № 2.

Размещено на Allbest.ru

...