Развитие теории, технологии и оборудования для холодной гибки тонкостенных труб с воздействием на трубу вращающимся деформирующим инструментом

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Специальность 05.02.09 - «Технологии и машины обработки давлением»

Развитие теории, технологии и оборудования для холодной гибки тонкостенных труб с воздействием на трубу вращающимся деформирующим инструментом

Козлов Александр Васильевич

Челябинск 2010

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО Южно-Уральский государственный университет (г. Челябинск)

Научные консультанты - доктор технических наук, профессор Лакирев Сергей Григорьевич;

доктор технических наук, профессор Шеркунов Виктор Георгиевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Богатов Александр Александрович;

доктор технических наук, профессор Яковлев Сергей Сергеевич

доктор технических наук, профессор Чукин Михаил Витальевич

Ведущее предприятие - ОАО «Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности (РосНИТИ)», г. Челябинск.

Защита состоится « » г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова.

Автореферат разослан « » 20 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор Ю.В. Жиркин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для рациональной компоновки трубопроводов и других изделий, изготавливаемых из труб, требуется большое количество их криволинейных участков. Гибка труб является основной операцией технологического процесса изготовления криволинейных деталей трубопроводов. Она широко применяется в коммунальном хозяйстве, различных отраслях общего и специального машиностроения: автостроении, самолетостроении, нефтяной и газовой промышленности и т.д. В то же время качественная гибка тонкостенных труб диаметром более 40…50 мм в холодном состоянии затруднена, а в ряде случаев и невозможна, поскольку сопровождается такими нежелательными для последующей эксплуатации явлениями как сплющивание поперечного сечения, образование гофр и изломов на внутренней части трубы, что обусловлено значительными усилиями изгибания, поэтому не удается получить радиусы гиба менее 3,5-4,5 диаметра трубы.

Гибка труб диаметром 100-200 мм и выше на такие радиусы гиба как правило осуществляется в горячем состоянии с применением узкозонального нагрева токами высокой частоты (ТВЧ). Часть криволинейных вставок в трубопроводы изготавливается путем проталкивания нагретой трубы через рогообразный сердечник-дорн.

Методы горячей гибки требуют исключительно дорогостоящего и энергоемкого технологического оборудования. Достаточно сказать, что станки для горячей гибки стоят в десятки раз дороже станков для холодной гибки и затрачивают на операцию в сотни раз больше энергии. Например, станок для холодной гибки труб диаметров до 100 мм имеет мощность 14 киловатт, а станок для горячей гибки аналогичных труб - более 200 киловатт.

Поэтому исследование и совершенствование процесса гибки труб в холодном состоянии, в котором значительное снижение изгибающих усилий обеспечивается без нагрева является крупной и актуальной научно-технической проблемой.

Работа выполнена в соответствии с федеральной межвузовской научно-технической программой «Конверсия и высокие технологии» в 1997-2000 гг. (шифр проекта - 109-1-57 «Гибка труб с раскатыванием»), грантами правительства Челябинской области, комплексным планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО ЮУрГУ.

Цель работы. Повышение эффективности процесса холодной гибки труб и улучшение качества изделий при формообразовании криволинейных элементов из тонкостенных труб при воздействии на изгибаемую трубу вращающимся деформирующим инструментом - раскатником или обкатником.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана и реализована математическая модель холодной гибки труб с воздействием на изгибаемую трубу в очаге деформации вращающимся деформирующим инструментом. В результате анализа полученных данных выявлен и научно обоснован механизм существенного снижения усилия гибки. Теоретически определены технологические условия, соблюдение которых обеспечивает возможность получения криволинейных элементов с малыми (до 1,5 Dт) радиусами гиба при одновременном снижении в 2-4 раза изгибающего момента, необходимого для осуществления процесса.

2. Разработан комплекс аналитических математических моделей, реализация которых позволила впервые установить взаимовлияние параметров осуществления процесса и характеристик деформирующего оборудования, а так же определить их влияние на геометрию сечений (поперечных и продольных) криволинейных участков получаемых изделий. В частности теоретически определен и экспериментально подтвержден диапазон рабочих натягов, позволяющих достигать снижение усилий и обеспечивать высокое качество формы поперечного сечения криволинейных участков трубопроводов. Выявлено влияние на точность изделий скорости подачи трубы, так снижение подачи с 160 до 40 мм/мин уменьшает усилия гибки на 20…25 % и снижает овальность в 1,5-2 раза.

3. Впервые теоретически обоснована целесообразность раскатывания изгибаемой трубы двумя парами диаметрально расположенных деформирующих элементов (ДЭ), что обеспечивает возможность получения малых (до 1,5Dт) радиусов гиба. Показано, что применение 4-элементного инструмента с попарно расположенными ДЭ обеспечивает снижение овальности трубы в 3-5 раз.

4. Разработана общая методика проектирования рационального технологического процесса холодной гибки труб с дополнительным воздействием на изгибаемую трубу вращающимся деформирующим инструментом.

Практическая ценность работы

1. Разработаны рекомендации по назначению основных технологических параметров гибки точных крутозагнутых отводов: натяга, скорости подачи трубы, количества и углового расположения ДЭ в раскатном и обкатном инструментах, величины вылета инструментов относительно центра гиба. Их применение в промышленном производстве позволяет новому методу холодной гибки успешно конкурировать с горячей гибкой труб.

2. Разработана гамма станков для холодной гибки горячекатаных и сварных труб диаметром 20…219 мм из сталей обыкновенного качества, нержавеющих сталей и цветных металлов. Комплексные испытания показали, что холодная гибка труб с раскатыванием обеспечивает требуемое качество изделий, не уступая изделиям полученным горячей гибкой.

3. Выполнена комплексная оценка влияния новой технологии гибки на структуру и свойства получаемых изделий.

4. Оборудование для гибки с раскатыванием внедрено на более чем 30 предприятиях. Организован серийный выпуск оборудования для холодной гибки труб с раскатыванием-обкатыванием, организовано опытно-промышленное производство отводов и других изделий из тонкостенных труб.

5. Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальностям 120100 «Технология машиностроения», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», 150201 «Машины и технологии обработки металлов давлением».

На защиту выносятся

1. Механизм дополнительного циклического воздействия на изгибаемую трубу вращающимся раскатником, обеспечивающий снижение изгибающих усилий в 2-3 раза.

2. Теоретическое обоснование условий наиболее эффективного воздействия на изгибаемую трубу вращающимся раскатником с малым числом ДЭ.

3. Результаты экспериментальных исследований по оценке влияния натяга, скорости подачи трубы и количества ДЭ в раскатнике на усилия гибки и овальность поперечного сечения получаемых изделий.

4. Оборудование и инструменты для холодной гибки тонкостенных труб.

5. Технология холодной гибки тонкостенных труб, различных диаметров, раскатываемых с большими натягами.

6. Результаты внедрения новой технологии и оборудования в производство.

Реализация результатов работы. По результатам теоретических и экспериментальных исследований предложены новая технология, оснастка и инструмент для гибки труб в холодном состоянии, которые испытаны в производственных условиях и внедрены на более чем 30 предприятиях РФ, в том числе АО «Ашинский металлургический завод», ОАО «Усть-Катавмежрайгаз», РСП «Уралсантехэнерго» г. Уфа, МУ «Городское коммунальное хозяйство» г. Златоуст, ООО «ГросКом» г. Златоуст, ФУГП «Усть-Катавский вагоностроительный завод» и др. Организован серийный выпуск трубогибов для холодной гибки труб диаметроми 40-150 мм с воздействием на изгибаемую трубу вращающимся раскатником на Саранинском заводе кузнечно-пресового оборудования (Свердловская область).

Внедрение обеспечило (по сравнению с холодной гибкой труб с помещением внутри них цилиндрических дорнов):

– расширение технических возможностей холодной гибки труб;

– расширение диапазона труб изгибаемых в холодном состоянии с 20…40 мм до 50…200 мм;

– уменьшение радиуса гиба с (3,5…4)Dт до (1,5…2)Dт;

– снижение брака изделий по гофрообразованию на 40…50%;

– повышение точности поперечного сечения изделий на 20…30%;

– снижение энергоемкости производства в 2-3 раза;

– снижение себестоимости изделий на 20…30 %.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийском научно-техническом семинаре «Перспективные процессы формообразования металлов с локально-подвижным очагом пластической деформации» г. Ижевск, 1993 г.; Международной выставке «Дни Челябинской области в Москве», посвященной 850-летию г. Москвы, 1997 г.; на Российской школе-конференции по проблемам проектирования неоднородных конструкций г. Миасс 1996-2002 гг.; на 4-й Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» г. Барнаул, 1997 г.; на Международной выставке «Трубы. Лента. Проволока», г. Челябинск, 1997 г.; на II Международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии» г. Орел, 1998 г.; на I и II Международных специализированных выставках-конференциях «Машиностроение. Прогрессивные технологии» г. Челябинск, 1997-98 гг.; на международной научно-технической выставке г. Сиань (КНР), 1997-1998 гг. на Международной конференции «Передовые технологии на пороге XXI века», посвященной 145-летию со дня рождения В.Г. Шухова г. Москва, 1998 г.; на II Международной научно-технической конференции «Проблемы пластичности в технологии» г. Орел, 1998 г.; на Международной электронной научно-технической конференции «Перспективные технологии автоматизации» г. Вологда, 1999 г.; на Международной научно-практической конференции «Технология, инновация, качество» г. Казань, 1999 г.; на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные методы и технологии получения и обработки конструкционных материалов и покрытий» г. Волгоград, 1999 г.; на Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» г. Самара, 1999 г.; на IV Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» г. Курск, 1999 г.; на Международной научно-технической конференции «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении и строительстве» г. С. Оскол, 1999 г.; на Первой Международной электронной научно-технической конференции «Автоматизация и информатизация в машиностроении» г. Тула, 2000 г.; на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» г. Тюмень, 2000 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2000» г. Пермь, 2000 г.; на Международной конференции «Снежинск и наука» г. Снежинск, 2000 г.; на Международной научно-технической конференции «Машиностроение и металлообработка-2003» г. Кировоград, 2003 г.; на 29 Международной конференции по металлообработке г. Хайфа (Израиль) 2003 г.; на Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации-2004» г. Москва, 2004 г.; на Международной научно-технической конференции «Повышение качества продукции и эффективности производства», г. Курган, 2006 г.; на научно-технических конференциях ЮУрГУ в 1994-2007 гг.

Публикации по теме диссертационной работы. Основное содержание диссертации отражено в 81 печатной работе автора, в том числе в 2 научных монографиях, учебном пособии с грифом УМО.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов основного текста, общих выводов и списка литературы.

Объем работы. 274 страницы машинописного текста, в том числе 257 рисунков, 33 таблицы. В списке использованной литературы содержится 190 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса, задачи исследования

Вопросы повышения эффективности процессов гибки труб рассматривались в работах исследователей А.И. Гальперина, Ф.В. Мосина, Е.Н. Мошнина, С.М. Султана-Заде, М.Н. Горбунова, Б.С. Дмитриева, В.Г. Гребенкина, Н.А. Доллежаля, В.К. Долгова, И.И. Михлина, Э.Л. Мельникова, С.В. Серикова, Г.Р. Херсонского и др. В них отмечалось, что способ гибки трубы определяет процесс пластического течения металла и процесс деформации трубы, поэтому правильным выбором того или иного способа можно не только достигнуть требуемой производительности, но и создать условия, обеспечивающие заданную точность формы трубы в продольном и поперечном сечении, разностенность, радиус гиба, минимальный расход материала, рациональные условия монтажа трубопровода и его эксплуатации в целом. холодный гибка труба производственный

Анализ технической и патентной литературы позволил выявить основные способы гибки труб и установить их достоинства и недостатки по силовым, энергетическим и точностным показателям.

1. Гибка труб чистым изгибающим моментом без дополнительных воздействий. К его недостаткам относятся: необходимость обеспечения весьма значительных усилий и мощности; невозможность обеспечить радиус гиба менее 4Dт; образование гофр, так как потеря устойчивости сжимаемых волокон труб происходит раньше, чем достигается пластичное состояние материала. Таким образом, гибка достаточно тонкостенных труб, возможна только при наличии дорнов, оправок или иного заполнителя полости трубы, которые ограничивают высоту образующихся гофр.

2. Гибка с общим нагревом изгибаемой трубы. При нагреве до 760…920 C в 2-3 раза снижаются Т и В, что снижает усилия гибки и обеспечивает возможность получения криволинейных отводов с радиусом гиба (2,5…3,5)Dт. В то же время необходимость нагрева резко удорожает производство и требует, как правило, специализированного оборудования.

3. При гибке труб с узкозональным нагревом ТВЧ соседние холодные участки трубы не дают нагретому участку сплющиваться, что значительно уменьшает риск появления гофр, высокая температура в зоне нагрева (900…1100C) позволяет снижать усилия гибки в 5-7 раз. Но для гибки труб 50…100 мм требуются два генератора с мощностью по 100 кВт каждый.

4. Гибка трубы при действии внутреннего гидростатического давления. Усилия гибки и гидростатическое давление создают сложнонапряженное состояние в стенках трубы, которое описывается при помощи диаграммы пластичности Треска Сен-Венана. Когда окружные растягивающие напряжения 2 достигают величины т, продольные 1, создающие изгибающий момент, могут быть сколь угодно малы, а состояние материала трубы будет удовлетворять условию текучести.

Однако при давлении, приближающемся к величине 2hт/Dт (где h - толщина стенки трубы), когда трубу можно изогнуть сколь угодно малым изгибающим моментом, появляется опасность взрывного разрушения трубы при гибке.

К тому же, поскольку компоненты тензора деформаций и тензора скоростей пластических течений пропорциональны компонентам девиатора напряжений, гидростатическим способом можно обеспечить только очень незначительные изменения кривизны трубы.

Вследствие этого реально удается снизить изгибающий момент только в 2 раза, не удается получить крутозагнутые отводы, не исключается образование гофр и искажение профиля поперечного сечения.

5. Гибка проталкиванием трубы через рогообразный дорн с увеличивающимся диаметром. Окружные напряжения сразу достигают т без опасности взрывного разрыва трубы. Теоретически изгибающий момент может быть сколь угодно мал. Однако при этом требуется увеличить исходный диаметр трубы на 40…50 %. Такие деформации трубы без нагрева обеспечить невозможно. Все это сильно усложняет конструкцию оборудования и технологию. Такая гибка осуществляется, как правило, на специализированных предприятиях.

Таким образом, можно сделать вывод, что главными недостатками приведенных способов гибки труб являются либо большие усилия гибки и, как следствие, плохое качество изделий, либо большие энергозатраты и высокая стоимость оборудования. Однако хорошо видно, что потенциальные возможности снижения усилия гибки за счет создания сложнонапряженного состояния материала трубы превосходят возможные снижения усилия гибки за счет нагрева трубы. К этой группе относится холодная гибка труб, раскатываемых в процессе гибки с большими натягами, разработанная в ЮУрГУ. Она устраняет большинство вышеперечисленных недостатков.

Сущность технологии гибки труб с раскатыванием заключается в следующем. При вращении 2 раскатника (рис. 1 а), заведенного в трубу с достаточно большим натягом, в каждой точке кольцевой зоны раскатывания возникает знакопеременный изгиб (рис. 1 б), при котором изгибные напряжения кратковременно достигают предела текучести Т. В результате, при приложении относительно небольшого изгибающего усилия 1 происходит гибка в перемещающейся кольцевой зоне раскатывания. Аналогично этому возможно воздействие на изгибаемую трубу вращающимся обкатником.

Однако применение данного способа ограничено тем, что неизвестны режимы гибки труб различного диаметра и материала (натяг, скорость подачи трубы и количество деформирующих элементов и т.д.) на малые радиусы гиба, отсутствие надежного оборудования для реализации этой технологии при изготовлении крутозагнутых отводов, отсутствие инженерной методики проектирования операций гибки и рекомендаций по использованию получаемых изделий в трубопроводах различного назначения. Предварительные результаты экспериментальной проверки нового метода, проведенные кафедрой ТМСИ ЮУрГУ совместно заводом «Трубодеталь» (г. Челябинск) показали возможность применения нового метода лишь для получения пологих элементов трубопроводов, что не является крупной технической проблемой. Возможность воздействия на изгибаемую трубу вращающимся обкатником ими практически не рассматривалась, хотя характер деформаций изгибаемой трубы при ее обкатывании аналогичен.

Рис. 1 Гибка труб, раскатываемых с большими натягами

Исходя из цели настоящей работы, необходимо решить следующие задачи.

1. Теоретически обосновать метод гибки труб с раскатыванием-обкатыванием и определить условия, обеспечивающие существенное снижение усилий гибки и возможность получения криволинейных элементов с малыми (до 1,5Dт) радиусами гиба.

2. Экспериментально проверить теоретически выявленные закономерности.

3. Определить влияние основных технологических факторов на точность и другие качественные показатели изделий.

4. Разработать на этой основе технологии холодной гибки тонкостенных труб с раскатыванием 20…200 мм.

5. Разработать оборудование для холодной гибки с раскатыванием -обкатыванием тонкостенных труб большого диаметра.

6. Провести комплексное исследование материала структуры и свойств материала получаемых изделий.

7. Внедрить результаты исследований в производство и учебный процесс.

2. Теоретическая оценка возможностей метода гибки труб с раскатыванием

Широко известно раскатывание отверстий с поверхностных пластическим деформированием материала с целью снижения шероховатости отверстия. При этом применяют небольшой натяг (0,005…0,1 мм) и большое число деформирующих элементов, чтобы снизить деформации тонкостенных деталей. Применение большого числа деформирующих элементов позволяет приблизить форму инструмента к форме раскатываемого отверстия, что в сочетании с малым натягом обеспечивает минимальные деформации раскатываемых деталей. При гибке же с раскатыванием именно за счет знакопеременных изгибных деформаций стенок трубы обеспечивается снижение изгибающих усилий. Это позволило предположить, что возможно разработать параметры новой технологии холодной гибки труб с дополнительным воздействием на изгибаемую трубу вращающимся раскатником, заведенным в трубу с большим натягом. Теоретические обоснования этого способа холодной гибки были предварительными и весьма приблизительными.

В качестве рабочей гипотезы, объясняющей существенное снижение изгибающего усилия, можно предположить участие двух механизмов.

При раскатывании с малым числом деформирующих элементов (3-4) дополнительная энергия подводится в технологическую систему в виде знакопеременного изгиба стенок трубы. Действие этого механизма можно представить как нагружение стержня или полосы циклическими знакопеременными поперечными нагрузками и растягивающей или сжимающей силой.

Первый механизм заключается в том, что возможно необратимо и неограниченно растягивать элемент конечной (или бесконечно малой) длины силой, заведомо недостаточной для возникновения напряжений, достигающих предела текучести, если при этом изгибать элемент знакопеременным моментом в плоскости действия растягивающих сил, при котором достигается пластическое состояние материала элемента (рис. 2). За счет небольшой растягивающей силы пластические шарниры становятся несимметричными, причем нейтральный слой сдвигается то выше, то ниже. В результате за каждый цикл знакопеременного изгиба элемент удлиняется на некоторую величину, а суммарное удлинение ничем не ограничено.



Рис. 2 Образование пластических шарниров при продольных циклических нагрузках

Мы считаем, что этот механизм не только участвует в снижении усилий гибки трубы, но и вызывает раздачу диаметра трубы при раскатывании.

Поскольку из-за растягивающих окружных сил изгибные напряжения не вполне симметричны, общая картина выглядит так, как будто средний слой ОО1 растягивается импульсными напряжениями одного знака и растягивает за собой выше- и нижележащие слои. Заметим, что чем больше число деформирующих элементов (роликов или шариков) (рис. 3 а), тем больше возрастают растягивающие усилия, а распределения нормальных напряжений в сечениях А и В становятся все более асимметричными, тем быстрее будет происходить увеличение диаметра трубы и потеря натяга. То есть число шариков или роликов в раскатке не должно быть чрезмерно большим (рис. 3 б)

Рис. 3 Распределение нормальных напряжений в сечениях трубы: а - гибка с большим количеством деформирующих элементов; б - гибка с малым количеством деформирующих элементов

Второй механизм (рис. 4) заключается в неограниченном удлинении элемента под действием сравнительно небольшой растягивающей силы при условии, что элемент изгибается достаточно большим знакопеременным моментом в плоскости, перпендикулярной действию растягивающей силы, что аналогично явлению снижения сил при гибке труб с внутренним гидростатическим давлением.

Рис. 4 Образование пластических шарниров при поперечных циклических нагрузках

Для проверки описанных выше механизмов была произведена серия принципиальных экспериментов. Для проверки действия первого механизма была изготовлена трехроликовая вальцовка (рис. 5), а для проверки действия второго механизма была изготовлена деформирующая головка, состоящая из двух пар выпуклых и вогнутых роликов (рис. 6).

При перемещении головки на специальном приспособлении вдоль растягиваемой с тарированной силой полосы в одном случае ее знакопеременный изгиб в направлении действия растягивающей силы, а в другом - в направлении перпендикулярном действию силы. В экспериментах использовались полосы из различных материалов: свинцовые, алюминиевые, бронзовые и стальные. Как правило за один рабочий ход деформирующей головки удлинение полосы составляло от 0,3 до 2 мм в зависимости от величины растягивающей силы. Механизмы продолжают «работать», а полоса удлиняться вплоть до удвоения начальной длины полосы.

Таким образом, изгиб тонкостенного элемента резко снижает потребные силы для удлинения (или укорочения) элемента в любом направлении, как для сил, лежащих в плоскости циклического изгиба, так для сил, перпендикулярных плоскости циклического изгиба, да и под произвольным углом. То есть все составляющие пространственного изгиба при контакте стенок трубы с шариками или роликами работают на снижение потребного момента изгиба трубы.

Рис. 5 Трехроликовая вальцовка

Рис. 6 Установка и головка для поперечного изгиба полосы

Для уточнения общей картины распределения напряжений и деформаций и определения их величин в различных участках изгибаемой трубы было выполнено компьютерное моделирование процесса гибки с раскатыванием.

Моделирование выполнено с использованием лицензионного комплекта MSC.Mars для условий, экспериментально реализованных на опытно-промышленной установке для гибки труб с раскатыванием. Это в итоге позволило выполнить сравнение полученных теоретических и опытных данных.

Моделирование осуществлено для следующих исходных данных:

диаметр трубы - 60 мм;

толщина стенки трубы - 3,5 мм;

материал трубы - сталь 10;

радиус гиба - 100 мм;

угол гиба - 0-45;

диаметр раскатных шариков - 16 мм;

количество раскатных шариков - 3;

натяг (обжатие) - 1 мм;

скорость вращения раскатника - 500 об/мин;

скорость подачи - 0,1 мм/об.

Результаты моделирования позволили получить графические изображения полей напряжений и деформаций и их количественные оценки. Анализ позволяет сделать ряд выводов и заключений.

В деформируемой трубе возникает достаточно сложное и неоднородное по сечению напряженно-деформированное состояние. В верхней части заготовки преобладают растягивающие тангенциальные и продольные напряжения, а в нижней - сжимающие.

Радиальные напряжения (рис. 7) носят циклический характер и зависят от положения деформирующих элементов. Поскольку в качестве последних используются шарики, то и площадь контакта заготовки и инструмента локализируется в небольшое пятно, постоянно перемещающееся по внутренней поверхности трубы со скоростью, определяемой скоростью вращения раскатника. При этом в месте контакта возникают сжимающие радиальные напряжения, а в стенках трубы, где контакта нет, появляются растягивающие напряжения. Таким образом, в радиальном направлении металл подвергается чередующимся сжимающим и растягивающим напряжениям.

Рис. 7 Радиальные напряжения (продольное сечение)

Характерной особенностью процесса является наличие протяженной зоны внеконтактной деформации. Этот факт объясняется тем, что помимо локального воздействия на стенки трубы со стороны деформирующих элементов, происходит и продольный изгиб трубы на гибочный ролик, приводящий к тому, что толщина наружной (относительно гибочного ролика) стенки трубы существенно уменьшается, а у прилегающей к ролику стенки толщина увеличивается. При этом если судить по общей интенсивности деформации, наружные слои трубы испытывают существенно (в несколько раз) превосходящую деформацию по сравнению со слоями, прилегающими к гибочному ролику. Был выполнен более подробный анализ результатов компьютерного моделирования радиальных напряжений.

Определим площади участков изгибаемой трубы, оказывающих незначительное сопротивление изгибу. По графику распределения (рис. 8) радиальных напряжений общая площадь сечения трубы составляет около 2200-2300 мм2.

Рис. 8 Распределение радиальных напряжений (поперечное сечение - различные положения раскатного инструмента)

Выделим отдельно участки, находящиеся в напряженном состоянии близком к пределу текучести (рис. 9), т. е. не оказывающие сопротивление изгибу. По расчетам они составляют около 35-40 % от общей площади сечения. Примерно 20 % площади сечения также находится в частично напряженном состоянии - до 50 % от предела текучести. Таким образом, расчетное сопротивление изгибу не превышает половины площади поперечного сечения трубы.

Рис. 9 Расчет площадей поперечного сечения, не оказывающего сопротивления изгибу

С использованием компьютерной модели гибки трубы были определены численные значения толщин стенок (рис. 10) в сечениях А-А и Б-Б, соответствующие углам гиба 15 и 30. По этим значениям были построены графики изменения толщин стенок трубы (рис. 11) в поперечном сечении. Как видно из графиков, происходит заметное уменьшение толщины наружной стенки вследствие ее удлинения. Величина утонения наружной стенки достигает 28 % от исходной толщины стенки трубы (при радиусе гиба 2Dу). Наблюдается небольшое утонение по средней линии трубы (не более 2,5 %) и утолщение внутренней стенки (в пределах 2,7-7,5 %).



Рис. 10 Изменение толщины стенок изгибаемой трубы в сечениях А-А и Б

Рис. 11 График изменения толщины Б стенок в сечениях А-А и Б-Б

Для сравнения результатов, полученных при компьютерном расчете, были произведены измерения толщин стенок труб диаметра 60 мм, согнутых по новой технологии в различных сечениях (рис. 12). Построены графики, на которых показаны средние величины толщин стенок трубы в различных точках, полученных в результате компьютерного (рис. 13) и натурного экспериментов (рис. 14).



Рис. 12 Результаты измерения толщин стенок в натурном образце изогнутой трубы в сечении В-В

Сравнивая результаты компьютерного моделирования с реальными значениями толщин стенок можно сделать вывод о том, что отклонение не превышает 6-8 %. Это свидетельствует об адекватности разработанной компьютерной модели реальному процессу гибки с раскатыванием.

Следует отметить, что полное исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего в очаге деформации предлагаемого процесса гибки трубы, сопряжено с определенными техническими трудностями, связанными с большими затратами машинного времени ЭВМ. Так на реализацию настоящей задачи было потрачено более 200 часов машинного времени ЭВМ. По нашему мнению для решения тех задач, которые поставлены в настоящей работе, необходимо разработать аталитическую математическую модель, которая с минимальными затратами, но с приемлемой для практического использования точностью позволила бы определить основные технологические параметра процесса гибки.



Рис. 13 Изменение толщины внешней стенки трубы при компьютерном

Рис. 14 Сравнение толщин стенок трубы моделировании

При построении этой модели рассмотрим процесс деформации стенок трубы при холодной гибке труб, раскатываемых с небольшим числом деформирующих элементов (шариков или роликов), но с большими натягами, достаточными для достижения пластического состояния трубы, вплоть до образования пластических шарниров. Рассмотрение контактной задачи в условиях упруго-пластического состояния оболочки весьма трудоемко (рис. 15 а).

Но возможны две схемы приближенных расчетов, легко осуществляемых проводится с точностью, достаточной для инженерно-технических целей.

По схеме рис. 15 б распределенное по поверхности ДЭ давление приближенно заменяется суммой сосредоточенных сил. Эта схема позволяет легко получить нижнюю оценку сил на ДЭ, необходимых для достижения пластического течения материала по всей толщине трубы - Pmin = р h2 T.

Рис. 15 Расчетные схемы разной степени приближенности

Верхнюю же оценку минимально необходимого натяга, при котором гарантировано наступает упругопластическое напряженное состояние оболочки, проще всего получить на примере кольца, с точностью до множителя (1-мІ) эквивалентного оболочке, нагруженной линейно распределенными силами (см. рис. 15 в).

На первом этапе расчета определяем максимальные радиальные силы раскатывания, при которых кольцо находится в предельно упругом напряженном состоянии (рис. 16).

Рис. 16 Схема воздействия сил на поперечное сечение трубы

Величина напряжений в различных сечениях по дуге будет различна и определяется характером изменений, возникающих в сечениях нормальных сил и изгибающих моментов.

Расчетные зависимости для определения предельных упругих деформаций при нагружении кольца радиальными силами:

от действия нормальных растягивающих сил

.

от действия изгибающих моментов

,

где J - момент инерции кольца.

Следовательно, натяг кольца

N = 2(N + M).

Расчет деформации от действия предельных радиальных усилий в случае образования пластического шарнира производится по теореме Кастильяно. Определив удлинение криволинейного стержня ВАВ от изгибающего момента M (рис. 17), из геометрических соображений найдем предельный натяг для упруго-пластического напряженного состояния, который равен удвоенному произведению деформации

.

Рис. 17 Схема деформации криволинейного стержня ВАВ от изгибающего момента

Таким образом могут быть определены предельные упругий и пластический натяги для труб различного диаметра и различной толщины (рис. 18).

При некотором предельном значении радиальных сил кольцо (так же как и оболочка) не способно далее сопротивляться внешним нагрузкам и деформируется как многозвенный шарнирный механизм. На рис. 19 показан шарнирный механизм, образованный при нагружении кольца n равномерно разнесенными по окружности предельными радиальными силами с образованием 2n пластических шарниров. Каждая дуга АВ поворачивается как жесткое звено с угловой скоростью вокруг своего полюса мгновенного вращения С. При этом пластические шарниры В со скоростью движутся по радиусу от центра, а пластические шарниры А с той же скоростью - к центру.

Рассматривая каждую дугу АВ как жесткое звено, поворачивающееся вокруг своего полюса вращения C под действием равномерно разнесенных радиальных сил с угловой скоростью , из схемы деформации дуги (рис. 20) можно определить минимальный натяг, необходимый для образования пластических шарниров:

H = 1,2 R2 2 Ф / Eh (1 - 0,0555 2).

Рис. 18 График диапазона натягов для трубы 603 из стали 20

Рис. 19 Нагружение равномерно разнесенными радиальными силами



Рис. 20 Схема деформаций дуги ВАВ

При образовании пластических шарниров, ширина упругой зоны в точках В и А равна нулю. Но момент изгиба М() в поперечном сечении с изменением текущего угла изменяется по зависимости близкой к квадратичной, поэтому ширина упругой зоны от углового положения точки - практически линейная функция:

,

где h - толщина стенки трубы; т - предел текучести материала трубы; - угол между деформирующими элементами в раскатнике.

Тогда из рис. 21 очевидно, что около 0,4 площади поперечного сечения (площадь заштрихованных участков) при достаточно малой скорости подачи трубы по сравнению со скоростью вращения раскатника вообще не оказывает сопротивления продольным усилиям. Однако и это еще не все, так как и в незаштрихованной упругой зоне существуют значительные внутренние напряжения поперечного направления, и в соответствии с диаграммой Треска - Сен-Венана лишь половина площади упругой зоны оказывает полное сопротивление продольным усилиям. Оставшаяся часть (0,2…0,3 общей площади поперечного сечения) оказывает сопротивление в среднем на 50 %. Иначе говоря, раскатываемому с минимально необходимым натягом сечению трубы с толщиной стенки h по сопротивлению изгибу трубы эквивалентно нераскатываемое сечение со средней толщиной стенки

h' =h - 0,4 h - (0,4…0,6)h /4 (0,45…0,5) h.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 21 Схема распределения нормальных напряжений в сечении

Таким образом, при минимальном натяге момент, потребный для гибки труб, снижается не менее чем в 2 раза. При значительном увеличении натяга можно обеспечить еще большее снижение момента гибки.

В то же время в результате действия механизма циклического характера, который при пластическом знакопеременном изгибе приводит к неограниченному удлинению сколь угодно малыми растягивающими силами, будет происходить удлинение периметра поперечного сечения трубы. При этом скорость этого удлинения, а значит скорость раздачи диаметра и падения натяга, пропорциональны величине растягивающих сил N (рис. 22).

Для уяснения этого механизма удлинения рассмотрим стержень, нагружаемый знакопеременным моментом М, так что средняя линия принимает кривизну ±1/ (рис. 23). Пусть относительная толщина стержня h/ достаточно велика, чтобы пренебречь толщиной упругого слоя (2у)

2y=2Т/Е<<h.

Тогда ММТ во всех сечениях стержня.

Рис. 22 Схема деформаций дуги ВАВ при значительном увеличении натяга

Рис. 23 Схема циклического механизма удлинения стенки трубы

При приложении к стержню растягивающих сил N, как бы ни были малы эти силы, пластические шарниры становятся асимметричными, а нейтральный слой сдвигается на величину f.

Нетрудно видеть, что

f=N/2Т.

При изгибе только нейтральный слой не испытывает ни удлинения, ни укорочения, следовательно средний слой стержня и в случае рис. 23 а, и в случае рис. 23 б, то есть при изгибе обоих знаков, испытывает удлинение

Дl'=(l/с)f,

а за полный цикл знакопеременного изгиба

Дl=2Дl'=2lf/с=(l/с)(N/уT).

В целом увеличение диаметра за один оборот раскатника составит

.

То есть следует назначать натяг, несколько больший минимального

Н = N +Dобщ,

где - количество оборотов раскатника, приходящееся на одно сечение трубы.

Особый интерес представляет напряженное состояние в трубе, раскатываемой двумя парами близко расположенных ДЭ, поскольку, пластические шарниры образуются при тех же натягах, что и при раскатывании тремя равномерно разнесенными ДЭ. При одинаковых обе схемы нагружения (с парными силами и равномерно разнесенными по окружности силами) при одинаковых натягах приводят к одинаковым напряженным состояниям на длинных дугах ВАВ, однако радиальные силы на спаренных ДЭ существенно меньше, что повышает их стойкость.

Кроме того, поскольку ДЭ попарно диаметральны, это должно существенно уменьшать овальность поперечного сечения трубы.

Дополнительное преимущество заключается также в том, что на коротких участках поперечного сечения трубы между парами близкорасположенных роликов, на которые опирается центральный угол (рис. 24), момент почти постоянный и близок к моменту пластического шарнира. Таким образом, все короткие участки поперечного сечения трубы практически не участвуют в сопротивлении изгибу оси трубы.

Рис. 24 Схемы нагружения кольца

Аналогичным образом происходит деформация поперечного сечения трубы при ее обкатывании и совместном раскатывании и обкатывании (рис. 25). Механизм снижения изгибающих усилий проявляется так же, как и в случае с раскатыванием.

Рис. 25 Схема деформации поперечного сечения трубы при гибке с раскатыванием и обкатыванием

Была выполнена оценка изменения толщины стенок изгибаемой трубы. Показано, что в зависимости от радиуса гиба утонение наружной стенки изогнутой трубы достигает от 35% при радиусе гиба 1,5D до 15% при радиусе гиба 2,5D трубы.

Таким образом, были теоретически определены основные механизмы, обеспечивающие снижения изгибающих усилий при гибке с раскатыванием в 2 и более раз.

3. Экспериментальная проверка выявленных закономерностей

Для проверки теоретически предсказанных закономерностей, а именно, о необходимости использования в раскатнике малого числа ДЭ, в том числе и попарно близкорасположенных, в 2 и более раз изгибающих усилий, а также уточнения величин рабочих натягов и их влияния на точность формы поперечного сечения гнутых труб, была проведена серия натурных экспериментов.

Эксперименты проводилась на модернизированном для гибки с раскатыванием трубогибе мод ИВ-3428, предназначенном для гибки труб диаметром 50…100 мм методом наматывания трубы на ролик-шаблон соответствующего радиуса кривизны. Модернизация заключалась в установке на серийный трубогиб вместо дорна раскатника с приводом его вращения и регулируемого привода вращения гибочного ролика-шаблона.

Условия проведения эксперимента

Заготовки: трубы из стали 20, наружный диаметр 60 мм, толщина стенки 4 мм, ГОСТ 3262-75.

Режимы гибки: частота вращения изгибающего ролика 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 об/мин, частота вращения раскатника 500 об/мин.

Раскатной инструмент - шариковый регулируемый по диаметру раскатник с числом шариков 3, 4 и 6. Величина натяга регулировалась и составляла 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мм. Гибку проводили на радиус равный 2Dт, с получением криволинейных деталей трубопроводов с углом разворота торцев 90. Образование гофр не наблюдалось.

Оценка величины Мизг осуществлялась при помощи механического динамометра (рис. 26), основой которого является упругая балка 1, передающая изгибающие усилия от планшайбы станка 2 к ролику-шаблону 3. По величине ее изгиба определяли величину изгибающего момента.

Результаты измерения изгибающего момента и параметры труб представлены на графиках (рис. 27).В проведенном эксперименте (рис. 27 а) при гибке трубы без раскатывания (Н=0) изгибающий момент соответствовал 10 240 Н/м. При использовании нового метода изгибающий момент снижается в 2,5…3,5 раза (см. рис. 27 а, б).

Из графика (см. рис. 27 б) видна тенденция увеличения изгибающего момента с увеличением подачи. Таким образом, при гибке труб следует выбирать минимальную подачу, которая обеспечивает заданную производительность. Эту рекомендацию подтверждает график (рис. 27 г), на нем хорошо видна тенденция к снижению погрешностей формы с уменьшением подачи.



Рис. 26 Динамометр механический

Рис. 27 Результаты экспериментов: 1 - графики для трехшарикового раскатника; 2 - графики для четырехшарикового раскатника с попарным расположением ДЭ

Из графиков (см. рис. 27 а, б) видно, что изгибающий момент несколько больше при использовании 4-шариковой раскатки с 2-мя парами близкорасположенных ДЭ, но одновременно с этим, она дает лучшее качество поперечного сечения трубы (см. рис. 27 в, г).

Аналогичные эксперименты были проведены с заготовками труб диаметрами: 57, 60, 76, 89, 102 и 108 мм с толщинами стенок от 2 до 8 мм, изготовленные из сталей обыкновенного качества: Ст.3, Ст.5, Ст.20. Гибку производили на различные радиусы гиба: 1,5Dт, 2Dт, 2,5Dт, 3Dт. Для каждого диаметра трубы и радиуса гиба был использован свой ролик-шаблон. В результате были уточнены рациональные технологические параметры для гибки труб различных диаметров, радиусов гиба и толщин стенок.

Измерение величины утонения наружной стенки изогнутой трубы с использованием ультрозвукового толщиномера подтвердил теоретические расчеты с учетом допустимых расхождений (рис. 28).

Рис. 28 График изменения толщины стенки трубы 1336 изогнутой на 90при Rгиба= 2Dт

Процесс гибки с воздействием на изгибаемую трубу вращающимся раскатником или обкатником вызывает существенное по сравнению с исходными изменение структуры и свойств материала, из которого изготовлена труба.

Изменение свойств может оказать серьезное влияние на надежность трубопроводов и других изделий, в которых могут найти применение криволинейные элементы трубопроводов, изготовленные по новой технологии.

Для уточнения возможностей их использования в трубопроводах различного назначения было выполнено комплексное исследование влияния применяемой технологии на структуру и основные механические и эксплуатационные свойства получаемых изделий. При этом исследованию подвергались образцы, взятые из различных участков изогнутых труб и с прямых недеформированных участков. Исследования деталей, изготовленных из сталей марок 10 и 20 дали следующие результаты.

Оценка микроструктуры проводилась на микроскопе МИМ-10 и Неофот при увеличениях от 50 до 500. В результате воздействия раскатника на внутренней поверхности трубы образуется тонкий слой с ярко выраженной строчечностью (рис. 29). Внутренних дефектов не обнаружено.

Рис. 29 Микроструктура образца внутренней стенки трубы

Измерение прочности деформированных участков показало, что предел текучести и временное сопротивление увеличивается на 15…40 %. Отмечено значительное уменьшение относительного удлинения (до 10…15 %).

Сравнительные показатели основных механических свойств для труб из стали марки 10 приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ образца	Наименование образца	Предел текучести, МПа	Временное сопротивление, МПа	Относительное удлинение, %
1	Образец из трубы, неподвергнутый гибке (эталон)	382,8	462,5	20
2	Образец внутренней стенки изогнутой трубы	488,4	746,1	15
3	Образец боковой стенки изогнутой трубы	570,8	792,4	14
4	Образец наружной стенки изогнутой трубы	591,7	730,6	14

Проведенные исследования свидетельствуют также о том, что после отжига пластические свойства практически восстанавливаются.

По нашей просьбе в НИИ «БашНИПИнефть» были проведены испытания на коррозионную стойкость.

Отмечено повышение коррозионной стойкости раскатанных изделий на 20…30 %. Скорость коррозии деформированных образцов составила в среднем 2,6 г/(м2·ч), что позволяет отнести их к группе весьма стойких. Гнутые отводы выдержали гидравлическое испытание давлением 40 МПа, так как не обнаружено течи, потения в основном металле, видимых и остаточных деформаций, трещин или признаков разрыва, отклонений от первоначальных параметров не выявлено.

Поскольку трубопроводы и их элементы подвергаются знакопеременным нагрузкам, вызванным сезонными температурными деформациями гидравлическими ударами и другими факторами, были проведены испытания на циклическую прочность. Проведенные исследования показали, что отводы выдержали испытания на циклическую прочность, отклонений по геометрическим размерам и каких-либо дефектов (трещин, гофр), признаков разрушения металла не обнаружено. В результате испытаний на циклические нагрузки выявлено, что гнутый отвод 90060Ч4 имеет повышенную устойчивость к воздействию механических нагрузок (рис. 30). При сжатии этого отвода до полного разрушения, изменение геометрических параметров (смятие) в зоне гиба произошло при достижении усилия равного 2040 кг. А у отвода 90057Ч4 по ГОСТ 17375-01 изменение геометрических параметров (смятие) в зоне гиба произошло при достижении усилия равного 1470 кг. В то же время, как это уже отмечалось выше, при гибке с раскатыванием отмечается заметное уменьшение толщины наружной стенки трубы до 10…35 % в зависимости от радиуса гиба. Это утонение, однако, вполне компенсируется повышением механических свойств. При гибке с обкатыванием утонение наружной стенки не превышает 5%. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что криволинейные элементы трубопроводов, получаемые гибкой с раскатыванием-обкатыванием могут применяться по заключению Ростехнадзора в ответственных трубопроводах. Разработано ТУ 1468-001-45669812-2003 на «Отводы гнутые», получаемые холодной гибкой с раскатыванием.

Рис. 30 Испытания гнутого отвода на циклические нагрузки

4. Разработка оборудования для гибки труб с раскатыванием и обкатыванием

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований было разработано несложное по конструкции оборудование для холодной гибки труб. Предварительная проверка возможных принципиальных схем гибки показала, что наиболее эффективно и просто применение схемы гибки с использованием ролика-шаблона в сочетании с механизмом раскатывания как это было при проведении экспериментов. Разработка оборудования велась по двум направлениям: путем модернизации серийно выпускаемого оборудования для холодной гибки и создания оригинальных установок. В частности была выполнена модернизация серийно выпускаемых Саранинским заводом кузнечно-прессового оборудования станков мод. ИВ-3228 и ИВ-3430 (рис. 31). Установка на эти станки механизма раскатывания трубы позволила существенно повысить технологические возможности этих станков (табл. 2).

Таблица 2

Основные характеристики станков	СХГТ-1	СХГТ-2 (на базе ТР-6)	СХГТ-3 (на базе ИВ-3428)	СХГТ-4 (на базе ИВ-3430)	СХГТ-5	СХГТ-6
	С раскатыванием	С обкатыванием
1. Параметры трубы: - наибольший наружный диаметр; - наименьший наружный диаметр; - толщина стенки; - наибольшая длина заготовки	36 22 2 400	57 28 3-4 1000	114 42 2,5-6 1700	159 57 2,5-8 2000	219 108 5-10 2500	219 - 5-10 6000
2. Радиус гиба	(1,5-2,5)D	(3-5)D
3. Наибольший угол гиба	180	180	180	180	90	90
4. Мощность электродвигателя, кВт: - главного привода; - привода инструмента	1 -	3 1	2,2 2,2	2,2 4,8	14 10	14 10
5. Охлаждение инструмента	-	Водяное
6. Габариты станка, мм: длина высота ширина	900 300 600	3500 1200 1200	2600 1400 1200	3000 1400 1300	4500 2300 1300	6000 2000 1200

Выполнена модернизация токарного станка мод. ТР-6, позволившая осуществлять качественную гибку труб диаметра 20-50 мм. Разработано и внедрено в производство несколько оригинальных установок для гибки труб диаметров 15-30 мм, 40-100 мм, 100-200 мм (рис. 32).

Рис. 31 Модернизированный трубогиб модели ИВ-3430 для гибки труб диаметром 50…150 мм



Рис. 32 Станок для гибки труб 100-200 мм

Для гибки труб с внутренним покрытием, в частности полиэтиленовым, спроектирована опытно-промышленная установка для гибки труб диметра до 200 мм с воздействием на изгибаемую трубу вращающегося обкатника (рис. 33, 34).

Все оборудование прошло производственные испытания и внедрено в производство.

Рис. 33Схема устройства обкатной головки



Рис. 34 Кинематическая схема станка для гибки труб с обкатыванием

5. Технология гибки труб, раскатываемых с большими натягами

В основу технологического процесса гибки труб, раскатываемых с большими натягами положены результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерностей гибки труб с раскатыванием, а также опыт холодной гибки с помещением внутри трубы цилиндрического дорна.

Применение раскатывания с большими натягами при гибке труб создает ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологического процесса гибки. В частности, необходимо задавать ряд новых технологических параметров гибки: натяг, скорость подачи трубы, число ДЭ в раскатнике, величину вылета раскатки, которые сильно влияют на силовые и точностные характеристики процесса гибки. Для выбора этих параметров разработана таблица их рациональных величин. Кроме того, необходимо производить оценку утонения наружной стенки трубы и величины минимально допустимого натяга согласно выбранным технологическим параметрам.

В процессе гибки при отклонении технологических параметров от рациональных величин могут возникнуть погрешности.

Их можно избежать, произведя подналадку станка согласно разработанной таблице с набором возможных дефектов, причинами появления и рекомендациями по их устранению.

Поэтому предлагается следующая схема построения технологического процесса гибки труб раскатываемых или обкатываемых с большими натягами (рис. 35).

Рис. 35 Проектирование технологии холодной гибки труб с раскатыванием-обкатыванием

6. Внедрение в производство технологии и оборудования для гибки труб с раскатыванием

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать новую технологию холодной гибки труб и оборудование для ее реализации.

Изделия, получаемые гибкой с раскатыванием, используются как элементы трубопроводов, пологие вставки и крутоизогнутые отводы, калачи, утки. Они могут быть использованы в качестве декоративно-защитных изделий таких, как защитные решетки автомобилей, полотенцесушители, дверные ручки, элементы мебели (рис. 36).

...