Моделирование процесса профилирования многогранных труб с целью его совершенствования и выбора параметров стана

Одной из характерных особенностей современного промышленного производства в Российской Федерации, да и в мире в целом является набирающая силу переориентация технологий в сторону энергои ресурсосбережения. Развитие подобных технологий в металлургическом и машиностроительном производстве означает прежде всего экономию топливных и сырьевых ресурсов, а также экономию производимого металла в виде создания металлоэкономных изделий с необходимыми потребительскими свойствами. Приоритетным должно стать повышение эффективности использования ресурсов над увеличением объемов добычи сырья и производства продукции.

Одним из таких изделий, позволяющим максимально полно использовать механические свойства металла, затраченного для их производства, являются трубы экономичных профилей (профильные трубы). Профильными трубами могут быть названы полые изделия большой протяженности, имеющие поперечное сечение отличное от круглого или отличную от цилиндрической внутреннюю или наружную поверхность. Кроме того, к этому классу могут быть отнесены круглые конические, ступенчатые и прочие круглые трубы, имеющие продольный профиль (например, винтовой).

Поле применения таких труб в современной технике достаточно широко. В то же время большой эффект от применения таких труб позволяет говорить о том, что расширение поля использования труб со специальным профилем позволит добиться еще более значительного прироста потребительских и эксплуатационных свойств изделий, сконструированных с их применением.

Производство авиационных, транспортных и сельскохозяйственных машин требует использования профильных труб самого разнообразного профиля. Такое использование создает принципиальную возможность создания некоторых конструкций (например, изготовление особо крупных роторов вертолетов требует применения овальных или каплевидных равнопрочных труб переменного по длине сечения), что приводит к значительному снижению веса конструкции и, как следствие, экономии горючего, повышению ресурса машины и другим положительным эффектам.

Вместе с тем, при конструировании ряда неответственных изделий, не имеющих особых требований по соотношению «масса конструкции — ее потребительские свойства», профильные трубы не применяются ввиду их более высокой, по сравнению с обычными трубами, стоимостью.

Вариантов решения вопроса о снижении стоимости производства профильных труб несколько. Возможно дальнейшее развитие технологий, позволяющих получать профильные трубы непосредственно из листовой заготовки, например гнутых и гнуто-сварных профилей. Также имеется возможность совершенствования процессов профилирования труб из круглых трубных заготовок.

Значительные проблемы существуют при проектировании и изготовлении профилировочного инструмента, в частности отмечается недостаточная точность производимых профильных труб, что в первую очередь может быть обусловлено несовершенством методики проектирования инструмента. Кроме того, в ряде случаев имеет место его недостаточная стойкость.

Решение этого ряда проблем требует всестороннего исследования как технологии производства, так и процесса профилирования, с точки зрения конкретных рекомендаций по их совершенствованию, повышению выхода годного, снижению расхода материала на производство инструмента.

Из всего многообразия профильных труб в данной работе рассмотрены те из них, которые производятся волочением из круглой заготовки в профильных волоках, а также некоторые вопросы теории профилирования труб, полученных формовкой из листа.

Имеющиеся в настоящее время теоретические и экспериментальные исследования касаются в основном изучения влияния параметров процесса на усилие профилирования. Имеются лишь отдельные исследования, посвященные вопросам калибровки инструмента. Разработка технологии производится часто на основе эмпирических зависимостей и накопленного производственного опыта.

Задачи определения рациональной формы волочильного канала, давления металла на инструмент, формоизменения при профилировании, напряженно-деформированного состояния и степени использования запаса пластичности металла для тянутых труб практически не исследованы. Не изучены вопросы определения пластичности металла для формования из листа труб при наложении тангенциального подпора или растяжения в калибре.

В этой связи цель настоящей работы — создать методику моделирования процесса профилирования труб для его совершенствования и разработки нового стана.

В первом разделе рассмотрены существующие способы и оборудование для производства профильных труб. Изучение сортамента производимых труб и способов их производства показало, что наиболее распространенными способами является волочение круглых труб с использованием профильной волоки, а также получение профильных труб путем формовки из листа.

Обзор методов теоретического исследования указанных процессов показал, что для процесса профилирования в волоке напряженно-деформированное состояние труб и некоторые другие вопросы не исследованы. Расчет пластичности при формовке профильных труб из листа до настоящего времени выполняется на основе сопоставления фактической степени деформации с относительным сужением образца при растяжении. На основе проведенного анализа выполнена постановка задач теоретического и экспериментального исследования, разработки специализированных машин для профилирования.

Во втором разделе выполнена разработка модели очага деформации при получении профильных труб. Построены геометрические модели очага деформации при получении многогранных труб, записаны уравнения, описывающие напряженно-деформированное состояние при профилировании волочением, приведена модель среды и методика расчета запаса пластичности. Численная реализация полученной математической модели возможна лишь на основе конечно-элементного метода.

В этой связи приведены основные процедуры и построения, позволившие создать конечно-элементную модель очага деформации.

Для процесса деформации при формовке профильных труб из листа выписаны основные уравнения, определяющие напряженно-деформированное состояние металла, и предложена методика расчета использования ресурса пластичности, основанная на применении феноменологической теории разрушения металлов. Эту методику необходимо использовать при анализе процесса формования труб из высокопрочных материалов, а также при наложении тангенциальных сжимающих или растягивающих напряжений.

В третьем разделе проведен параметрический анализ процесса профилирования труб волочением, а также и при производстве профильных труб из листа. На основе геометрической и математической моделей и конечно-элементного метода определена рациональная геометрия волочильного канала, установлено влияние параметров процесса на формоизменение трубы, найдено напряженно-деформированное состояние металла и степень использования запаса пластичности. Впервые проанализирован процесс профилирования труб с использованием проталкивания, подпора и противонатяжения.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментального исследования процессов профилирования методом волочения. Определены цели и задачи эксперимента, описана методика экспериментального исследования и примененная аппаратура. В результате эксперимента определена фактическая форма очага деформации, конечное формоизменение труб на переднем конце, и в установившемся процессе — энергосиловые параметры. Выполнено определение твердости металла. По тарировочной кривой найдены значения интенсивности деформации и интенсивности напряжений. Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследований показало хорошую сходимость результатов и подтвердило адекватность разработанных моделей. Проведенные исследования позволили разработать рекомендации по совершенствованию технологических процессов получения профильных труб. Предложено два варианта технологических линий по производству профильных труб.

Научная новизна работы заключается в разработке геометрической, твердотельной и конечно-элементной математических моделей процесса волочения профильных труб, которые обладают высокой точностью определения геометрических и энергосиловых параметров очага деформации, а также компонентов напряженно-деформированного состояния металла в очагеопределении (на базе указанных моделей) ряда зависимостей, включающих давление в зоне контакта инструмента с металлом, степень использования запаса пластичности в характерных точках объема готовой трубыустановлении рекомендаций по совершенствованию процесса профилирования и создании станов, позволяющих применить указанные рекомендации и обладающих высокой универсальностью и прогрессивными техническими свойствами.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Постановка задач теоретического и экспериментального исследований, позволяющих определить рациональную геометрию волочильного канала, напряженно-деформированное состояние металла, энергосиловые параметры и направления совершенствования процесса профилирования и разработки станов.

2. Методика построения геометрической модели очага деформации, отображающая особенности геометрии при плавном преобразовании исходного цилиндрического профиля в конечный профиль при соблюдении примерно равного соотношения их периметров и создание на этой основе различных типов волочильного канала.

3. Математическая модель очага деформации при профилировании многогранных труб, отражающая особенности геометрии волочильного канала, учитывающая объемный характер течения металла, а также его упрочнение и трение по поверхности инструмента.

4. Разработка методики расчета степени использования запаса пластичности, при формовке профильных труб из листа с учетом наложения тангенциальных сжимающих или растягивающих напряжений в очаге деформации.

5. Результаты теоретических исследований: определение рациональной геометрии волочильного каналавлияние параметров процесса на формоизменение трубы и давление на инструментнапряженно-деформированное состояние металла в очаге деформациистепень использования запаса пластичности при профилировании волочением (с использованием проталкивания, с наложением переднего подпора или противонатяжения) — результаты анализа использования ресурса пластичности при формовке профильных труб из листа.

6. Результаты экспериментальных исследований профилирования многогранных труб, включающие определение влияния основных граничных условий на формоизменение и интенсивности напряжений и деформаций на основе измерения поверхностной твердости металла.

7. Создание рекомендаций по совершенствованию процесса профилирования и разработка на основе проведенного комплексного исследования специализированных станов для профилирования труб с использованием заготовки в пакетах или бухтах.

Работа проведена по плану научно-исследовательских работ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, тема № 770 «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий». Результаты исследования применены при организации обучения на кафедрах «Металлургические и роторные машины» и «Инженерная графика»: при чтении лекций и проведении практических занятий по курсам «Компьютерная графика», «Пакеты прикладных программ», а также при курсовом и дипломном проектировании.

ВЫВОДЫ.

1. Проверку результатов конечно-элементного моделирования процесса формоизменения необходимо осуществлять при помощи экспериментального исследования процесса профилирования с определением и сравнением как геометрических и энергосиловых параметров, так и интенсивности напряженного и деформированного состояния металла при деформации.

2. Принятая методика и оборудование экспериментального исследования достаточно точно соответствуют реальным процессам профилирования волочением и проталкиванием, по найденным данным производятся статистические расчеты с вычислением допустимых пределов размахов величин и средних.

3. Исследованы параметры формоизменения трубы и определено хорошее соответствие этих параметров полученным при помощи конечно-элементного моделирования значениям.

4. Для сравнения теоретических и экспериментальных данных осуществлено измерение поверхностной твердости по Виккерсу для отрезков готовых труб и определение интенсивности деформаций и напряжений в характерных точках профиля. Результаты сравнения позволяют говорить об адекватности теоретической модели.

5. Определен ряд закономерностей формоизменения и параметров напряженно-деформированного состояния металла трубы, позволяющий осуществлять рациональный выбор профиля волоки, периметра заготовки, а также типа приложения рабочих усилий для конкретных условий профилирования.

6. Разработано техническое задание на проект стана для производства профильных труб (Приложение 3), обладающего высокой универсальностью и позволяющего на основе рационального приложения деформирующих сил повысить качество труб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа представляет собой результат проведенных исследований, которые направлены на совершенствование процессов получения многогранных профильных труб и выбору параметров станов, учитывающих особенности этого процесса. В работе рассмотрены способы профилирования труб и оборудование, имеющие на настоящий момент наиболее широкую применимость, сортамент получаемых на этой основе изделий, а также существующие стандарты и предъявляемые ими требования к качеству, определены основные виды брака, присущие профильным трубам и изучены причины его возникновения. Выполнен обзор теоретических исследований процессов профилирования.

По работе могут быть представлены следующие выводы и результаты:

1. Очаг деформации при профилировании труб волочением в общем случае должен быть рассмотрен в виде объемной модели, описывающей деформации трубы, при которых на части профиля происходит увеличение, кривизны стенки (ребра), а на другой части — уменьшение кривизны (грани). Принятые при его моделировании допущения достаточно точно соответствуют реальному процессу.

2. Математическое описание очага деформации в наиболее общем виде следует производить на основе уравнений теории пластичности для пространственного случая. Модель среды при профилировании определена в виде кривой упрочнения, аппроксимированной степенной зависимостью, коэффициенты которой взяты для основных материалов, применяемых в производстве труб.

3. Установлено, что наиболее рациональным методом исследования напряженно-деформированного состояния в указанных условиях является конечно-элементное моделирование. На этой основе создана твердотельная компьютерная модель процесса и конечно-элементная модель. При создании последней учтены соображения точности расчета и адекватности модели исходному процессу, для чего проведен ряд операций по повышению точности сеточной генерации.

4. Найдено, что форма канала волоки при неизменной форме и размерах калибрующего участка и конусности рабочего участка оказывает значительное влияние на параметры напряженно-деформированного состояния, а также на энергосиловые показатели процесса. На этой основе выполнен выбор рационального профиля волоки и возможен подбор ее геометрических параметров для снижения степени использования запаса пластичности материала трубы в опасных точках профиля либо тягового усилия профилирования. Моделирование процесса осуществлялось при различных способах приложения рабочей нагрузки, а именно при волочении, проталкивании, а также при наличии подпора или противонатяжения.

5. Определено распределение удельного давления в зоне контакта волоки и трубы, что позволяет создать рекомендации по снижению износа инструмента как путем получения более равномерного распределения удельных давлений по зоне контакта, так и снижения на этой основе абсолютных значений пиков удельного давления.

6. Выбранная методика исследования позволяет определять распределение показателей напряженно-деформированного состояния металла по объему профилируемой трубы. Указанная возможность позволяет судить о неравномерном распределении степени использования запаса пластичности как по толщине стенки трубы, так и по ее периметру, а также определить местоположение точек, являющихся опасными по исчерпанию ресурса пластичности металла.

7. Проведенный, на основе разработанного алгоритма, анализ влияния тангенциальных усилий в калибре при формовке труб из листа с учетом деформированного и напряженного состояния материала показал, что с ростом тангенциального подпора металла в калибре снижается степень использования запаса пластичности.

8. Проверка результатов конечно-элементного моделирования процесса формоизменения при профилировании труб выполнена путем экспериментального исследования процесса на основе определения и сравнения как геометрических и энергосиловых параметров, так и интенсивности напряженного и деформированного состояния металла. Использованная методика и оборудование экспериментального исследования соответствуют реальным процессам профилирования волочением и проталкиванием. Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследования позволяют сделать вывод об адекватности теоретической модели.

9. На основе комплекса проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию процессов профилирования труб и техническое задание на проект специализированного стана для производства профильных труб, обладающего высокой универсальностью и позволяющего на основе рационального приложения деформирующих сил повысить их качество.