автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Исследование формовки трубной заготовки гладкими валками и разработка технологии процесса и конструкции инструмента



На правах рукописи

ГЛЕБОВ АЛЕКСИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛГДОРЛНИЕФОРМОВКИ ТРУЫЮИ ЗАГОТОВКИ ГЛАДКИМИ ВАЛКАМИ И РАЗРАСОТКА ТЕХНОЛОГ'.И! ПРО! Ц;ССА И КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМ!:! 1 ТА

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой гнчк'нн кандидата технических наук

Москва - 1998

Ра бога выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный руководитель -Научный консультант -

доктор технических наук,

профессор Снницкнй В.М. кандидат технических наук Чехии А.Ф.

Официальные оппоненты: засл. деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор Осадчий В.Я. кандидат технических наук, доцент Ильин Л.Н.

Ведущее предприятие - ОАО Московский трубный завод ФИЛИТ.

Защита диссертации состоится "30" 1998 г. и /"/ часов на

заседании диссертационного Совета К 053.15.13 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, т. Москва, Б-5, 2-я Бауманская ул., дом 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н.Э. Баумана."

Телефон для справок 267-09-63.

Лнторефеоа г ра юс дан НОЯдрЯ 1998 г.

Учении секретарь диссертационного ^

совета, к т. н , доцент // Шубин Н И

Жду*!

Подписано в печаи. 34, Н98 ОГи.ем 1,0 п.д Зака»Л» 203 Тираж 100 экз. 1н1кчрафия МГ'ГУ им. II.'). Бахмана

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

----------Актуальность работы- В настоящее время производство стальных

труб в мире непрерывно возрастет, ('парные трубы п общем количестве составляют более 60%. Электросварнмс прямоточные трубы по многим качественным показателям не уступают бесшовным. Увеличение качества электросварных прямошовных труб и снижение себестоимости связано с созданием оборудования с возможностью быстрой переналадки но следующим типоразмер выпускаемых труб.

Работа направлена на решение важной прикладной задачи разработки нового технологического процесс;! формовки трубной заготовки гладкими валками, характеризующегося высокой производительностью и степенью автоматизации.

Важнейшим процессом в производстве сварных труб является формовка трубной заготовки. Главными критериями качества формовки является точность формы трубной заготовки, отсутствие пластических продольных деформаций в кромках, обеспечение стабильности процесса сварки, уменьшенный размер наружного и внутреннего грата в сварной трубе. Поэтому требуется разработать метод расчета основных технологических параметров процесса формовки гладкими валками.

Анализ напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки в процессе формовки требуется произвести на основе решения упруго-пластической задачи с использованием метола конечных элементов.

Использование технологического инструмента с простой образующей (гладких валков) позволяет значительно уменьшить затраты при изготовлении валков. Таким образом, формовка гладкими палками с точки зрения производства позволяет: повысить фонд рабочего времени трубозлекггросварочного агрегата; обеспечить качесгпо продукции; снизить производственные затраты; повысить степень автоматизации.

На основе проведенного исследования разрабатываются рекомендации по совершенствованию процесса формовки гладкими валками и предлагается новая конструкция инструмента стана, позволяющая снизить производственные затраты при перенастройке стана.

Цель работы. Разработка технологических основ проектирования нового оборудования для осуществления процесса формовки 1р\0ной заготовки гладкими валками и разработка меюдон настройки действующих станов на разные типоразмеры труб с сокращением времени на перенастройку стана и расхода матсрщша. нлушеш на настроечные работы с целью повышения производительности, обеспечения гибкости и экономической эффективности производства прчмошопных ллектроснарных труб на базе Московского трубног о завола.

Поставленная задача досгигаегся решением упруго-пластической задачи формовки полосы для определения напряженно-деформированного состояния металла мегодом конечных элементов, теоретическим анализом точности формы трубной заготовки при постепенном сворачивании в клегях трубоформовочного стана и экспериментальным исследованием процесса формовки в продольном и поперечном направлениях.

Меюды исследонания базируются на основных теоремах механики, использовании современных численных методов (МКЭ) и технологии электронных таблиц (EXCEL, SUPERCALC), математическом аппарате теории упругости и пластичности, использовании специальных .измерительных устройств, проверке полученных теоретических результатов на физической модели с определением степени нх достаточной сходимости.

Научную новизну н ценность составляет метод расчета основных параметров формовки трубной заготовки гладкими валками с учетом размеров и материала трубы и конструкции универсального формовочного стана.

Определены параметры напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки на основе решения плоской упруго-пластической задачи с использованием метода конечных элементов. Выработан подход к оценке допустимой величины подгибки трубной заготовки в клети и влияние ее на выходные параметры точности формы грубпой заготовки.

На основе анализа параметров перенастройки инструмент предложен подход для определения места приложения силы формовки .и новая конструкция инструмента, позволяющая снизить затраты времени и расхода материала при настроечных работах на следующий типоразмер ipy6

_Ц£1Ш0£Хь заключается в определении основных

lexiwjioi ических и конструктивных параметров универсального формовочного стана d зависимости от размеров и материала готовой элсктроспарной пр.чмошовнон трубы.

На основе разработанного метода расчета предложены рекомендации по совершенствованию процесса формовки трубной заюншкн гладкими валками и их практическое внедрение на деист нуюшем оборудовании. Разработан метод настройки действующих сынов на разные типоразмеры груб с сокращением времени на перенастройку стана и расхода материала, идущею на настроечные рабч1ы. . ■

Р1"-1V..Ч> шСм t.'i Мгтод определения основных нлрамегрог»

процесса формовки и результаты работы приняты для практическою

использования на ОАО Московский трубной завод ФИЛИТ. Внедрение____________

— предлагаемой теории в практику работы конструкторских бюро по проектированию трубопрокатного оборудования (ВННИМЕТМАШ, г Москва) позволит повысить качество проектирования, изготовления и эксплуатации новых универсальных формовочных станов в линии грубоэлектроевзрочнои! агрегата на базе использования гладких валков в качестве рабочею инструмента.

Апробация работы. Основное содержание работы, а также ее отдельные положения доложены и обсуждались:

- па IV ИаучноП сессии Совета РАН "Прооиемм повышения эффективности технологических процессов в заготовительных производствах" г. Москва (16-17 апреля 1998 г.);

- на научных семинарах кафедры "Металлургические машины и агрегаты" МГТУ им. Н.Э. Баумана (1997 г., 1998 г.).

Публикации. По материхтам диссертационной работы опубликовано 2 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, приложения. Изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 15 таблиц, список лшер.иуры из 87 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована научная и практическая актуальность рабсил, ее цель, научная новизна, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изучены перспективные тенденции в мировой практике последних лет в области технологии и оборудования для формовки трубной заготовки. Рассмотрены основные существующие способы проишо.четпд прямошовных электросварных труб. Современные Т'ЗСД содержат в своем составе: • устройства подачи ленты, трубоформовочную группу клетей, сварочный узел, линию калибровки и редуцирования, устройства приема готовой трубы.

Вопроси формовки труб н профилей рассмсчрсны к рабомх ь Д Жуковского, Ю.М. Матвеева, Е.А. Попова, И.С. Тришевскчио, В А Гымова, Г.И. Гуляева, М.В. Сторожева, М.Е. Докторова и др.

Опыт эксплуатации фуооформовочныч ссшов с ва'п.оиым инструментом показал наличие пластической продольной деформации кромок полосы. '

На современных трубоэлсетросварочных агрегатах проитодстс.о имеет значительные издержки из-за потерь времени, уходяшет на

перенастройку оборудования. Она состоит из замены валков одного типоразмера на другой. Решение проблемы заключается в создании универсальных клетей, не требующих замены валкового инструмента на каждый размер труб.

Важным преимуществом способа формовки гладкими валками является значительное уменьшение длины стана. Увеличение количества гладких валков в очаге формовки ведет к снижению величины пружинения кромок и уменьшению энергозатрат в процессе формовки полосы.

Работа посвящена исследованию и созданию технологии формовки гладкими валками заготовки для прямошовных труб, а также оборудования для его осуществления. Для получения качественной трубы •выбраны критерии: точность геометрической формы трубной заготовки перед сваркой, отсутствие продольных пластических деформаций в хромках полосы, влияющих на качество сварного шва, оптимальные энергоенловые параметры процесса, простота конструкции оборудования и быстрая его перенастройка на следующий типоразмер труб.

Начавшееся внедрение формовочных станов с гладкими валками требует исследования процесса формовки с целью разработки методов расчета основных технологических и конструктивных параметров этих станов. Сформулированы критерии для создания новой технологии формовки гладкими валками и поставлены основные задачи исследований.

Во второй главе проанализированы существующие теоретические исследования процесса формовки трубной заготовки.

Недостатком применяемой для расчета параметров напряженно-деформиропаниого состояния методики является необходимость задания поля скоростей перемещений. Фактически этот шаг в процессе решения определяет достоверность получаемых результатов, а напряженно-деформированное состояние описывает поведение металла при заданном законе движения полосы. При расчете нельзя варьировать условия внешнего нагруження и рассматривать распределение деформаций и напряжений но сечению металла полосы в продольном и поперечном направлениях.

Неизвестные функции в уравнениях соответствия начальных и текущих координат точек описывают геометрию листового материала в результате формоизменения. По решению задачи после деформации определчюг форму лист, соответствующую заранее заданным перемещениям материальных точек. . Использование в качестве неизвестной функции угла наклона плоского сечения по длине зоны вискошактной деформации приводит к искажению реальной картины напряжении и деформаций но сечению полосы в силу возникающих в этом случае допущений.

Проведен сравнительный анхтиз нескольких численных методов расчета нлрлметрои шнряженно-леформировлшшго состояния материала трубной т.ногонкн и выбран в качестве рабочего метод конечных

элементов. Анализ напряженно- деформированного состояния

___реальных конструкций возможен с использованием численных методов,

ориентированных на современные ЭВМ. Для расчета используют следующие численные методы: мсгод конечных разностей, метод граничных элементов и метод конечных элементов.

Метод конечных элементов (МКЭ) применим для определения параметров напряженно-деформированного состояния дня тел любой формы в упруго-пластической области. В силу своей универсальности МКЭ имеет преимущества перед аналитическими и различными численными методами расчетов.

Особенностью упруго-пластической задачи является нелинейность зависимости между интенсивностью напряжений и деформаций. Для решения принимается метод упругих решений по A.A. Илыошнну, являющийся разновидностью метода последовательных приближений. Суть его состоит в том, что выражения компонент напряжений через пластические деформации получаются из аналогичных зависимостей теории упругости заменой постоянных упругих характеристик переменными.

Для решения упруго-пластической задачи методом конечных элементов применяют способ минимизации интегральной величины, связанной с работой напряжений и внешней приложенной нагрузки. В случае постановки граничных условий в перемещениях необходимо минимизировать потенциальную энергию системы. Если на границе задано силовое воздействие, то минимизируют дополнительную работу системы.

Для определения напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки в продольном и поперечном направлениях при формовке предложен алгоритм решения плоской упруго-пластической задачи с использованием метода конечных элементов.

В третьей главе с использованием метода конечных элементов для определения параметров напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки в продольном и поперечном направлениях формовки гладкими валками получено решение математической модели процесса как плоской упруго-пластической задачи.

При постановке задачи приняты следующие допущения:

1. Реализуется модель плоского напряженного состояния (плоское деформированное и плоское напряженное состояния).

2. Материал трубной заготовки подчиняется условию пластичности Губера-Мизеса. Любая элементарная частица металлического тела переходит из упругого в пластическое состояние при достижении интенсивностью напряжении величины, равной напряжению текучести при линейном пластическом напряженном состоянии, соответствующему температурно-скоростным условиям деформирования и степени деформации.

3. Скорость деформации не влияет на свойства материала трубкой

заготовки.

4. Свойства материала трубной заготовки описывается зависимостью а

5. Условия деформации изотермические. Разогрев материала трубной заготовки в результате деформации не рассматривается.

6. Объемные силы не учитываются.

Для расчета использован пакет прикладных программ "МЕГА" с реализацией метода конечных элементов (разработан во ВНИИМЕТМАШе).

Разработка технологического процесса требует проведения ряда исследований и расчета основных параметров процесса: технологической силы формовки; размеров и формы гладких валков; диапазона возможной регулировки; ориентации валков в пространстве.

Положение гладких валков в формовочных клетях (приложения силы формовки к полосе) определяли на основе моделирования с использованием метода конечных элементов. Расчет проводили для поперечного сечения каждого из участков, на которые разбивался очаг формовки трубной заготовки, с соответствующими центральными углами формовки. При моделировании сила Pj прикладывалось в областях

Поперечного сечения полосы, характеризуемых разными направлениями приложения нагрузки.

Силу Р . изменяли до того момента, пока перемещение кромок не

достигало установленного значения и для текущего центрального угла формовки. В результате расчета получены зависимости силы формовки от

угла приложения в формовочных клетях / труб определенных

размеров. Расчет проводили для процесса формовки трубы диаметром 10; 20; 30; 40 мм с толщиной стенки 1 и 1,2 мм из низкоуглеродистой стали.

Анализ результатов расчета позволил выявить основные закономерности изменения силы формовки в зависимости от угла приложения (угол наклона образующей рабочего инструмента соответствует углу направления действия силы формовки).

Для оценки характера изменения силы формовки введено понятие "жесткости свертки" поперечного сечения полосы. "Жесткость свертки" поперечного сечения трубной заготовки зависит от распределения растягивающих и сжимающих напряжений Ох,ау в ее материале.

Максимальные растягивающие и сжимающие напряжения возникают в зоне осевого сечения трубной заготовки. Растягивающие напряжения располагаются по наружному контуру трубной заготовки, а сжимающие по внутреннему.

Изменение формы сечения трубной заготовки происходит не по окружности, а по кривой переменной кривизны. Радиус профиля трубной заготовки отличается от заданного в калибре и является переменным в

каждой точке R¡{a). Это объясняется износом валков,____пружинеиием

сворачиваемой полосы, завышенными допусками на геометрические размеры исходной заготовки, особенностями калибровки инструмента.

Зависимость текущего радиуса формовки от угловой координаты а определяется величиной подгибки трубной заготовки в формовочной клети. Это подтверждается решением плоской упруго-пластической задачи по расчету напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

Рассчитаны допустимые величины подгибки трубной заготовки в формовочных клетях по условию точности геомегрической формы трубной заготовки. Для оценки отклонения формы поперечного сечения трубной заготовки от окружности введен коэффициент точности формы

тг {^»uixi ~ ^rnini) /1Ч

где - текущий радиус трубной заготовки, определяемый калибром i-той клети, мм;

^maxi ' ^mini " макс,шальньп* и минимальный радиус трубной заготовки в i-той клети, мм;

Угол <р£ подгибки кромок в кромкогибочной клети определяйся из

конструктивных соображений и составляет 0,7-0,9 рад. Ширину центральной части трубной заготовки вычисляют по формуле

и^вг1якП- (2>

где В. - ширина нетральной части трубной заготовки, мм;

В- - ширина исходной заготовки, мм;

Vfc ~ ~~ 0,9 - угол подгибки кромок, рад.

Функцию R.(a) для формовочных клетей с гладкими валками определяют по результатам эксперимента. Функция R(a) с учетом симметрии трубной заготовки аппроксимируется с достаточной точностью выражением

л

а

(3)

R. (а)= R- .+ 5R¡ + 8R. sin

\V¡

где R¡.| - радиус трубной заготовки в предыдущей клеш, определяемый калибровкой, мм;

- угол наклона боковых холостых валков, рад; а - текущий угол, рад;

SR¡ - изменение радиуса трубной заготовки в i-той клети, мм. Для расчета идеального профиля поперечного сечения трубной заготовки по клетям и наложения па него экспериментально полученных значений создана программа расчета в электронных таблицах. По

исходным данным осуществляется построение идеального профиля поперечного сечения. На идеальный контур накладываются результаты измерений, вводимые в диалоговом режиме последовательно по углу а.

Расчет точности поперечного сечения трубной заготовки по программе произведен последовательно с первой клсти универсального формовочного стана по зависимостям, предложенным в работе. В качестве начальных условий задаются (по клетям): радиус формовки, угол приложения силы, диаметр и толщина стенки готовой трубы, угол подгибки кромок, изменение радиусов подгибки полосы. В качестве результатов расчета выводятся профили поперечных сечений, коэффициент точности формы Кг, трубной заготовки по клетям, количество формовочных клетей.

В случае превышения коэффициентом формы Кл заданной величины (0,2) изменяется величина ЗШ подгибки трубной заготовки по клетям, количество клетей, корректируются другие исходные данные, а расчет повторяется.

В процессе решения задачи изменяются следующие технологические параметры:

1). Величина изменения радиуса трубной заготовки в клети

2). Положение гладких валков в пространстве по клетям.

3). Параметры гладких валков (размеры и форма).

Расчет параметров напряженно-деформированного состояния материала трубной произведен с изменением толщины стенки сворачиваемой полосы. При неизменной величине подгибки трубной заготовки проведено сравнение компонент напряжений и деформаций при увеличении толщины стенки. Например, для трубы диаметром 40 мм при увеличении толщины стенки с 1 до 2 мм максимальная величина о1» выросла на 80%, а ау на 85%.

С увеличением угла сворачивания трубной заготовки в клети возрастают значения растягивающих и сжимающих напряжений и деформаций и увеличивается область пластического изгиба.

При моделировании процесса нагружения трубной заготовки при разных центральных углах формовки определены характеристики зон упругой и пластической деформации. В результате последовательного расчета напряженно-деформированного состояния трубной заготовки в формовочном клетях установлено распределение сжимающих и растягивающих напряжений и деформаций в материале поперечного сечения полосы. Напряжения и деформации п полосе являются функцией радиуса и угла, то есть функцией двух переменных.

Результаты теоретического расчета напряженно-деформированного состояния трубной заготовки проверены экспериментально на полосе соответствующих размеров и материала.

Для величины продольной деформации кромок трубной заготовки выведена формула

Для расчега напряженно-деформированного состояния трубной заготовки и продольном направлении построена модель, позволяющая изменять следующие параметры:

1). расстояние между клетями;

2). длины' зон раенружииивания, контактной н ппекошактнои деформаций;

3). параметры инструмента (форма и размер гладких валков);

4). геометрия контакта полосы с гладкими валками.

Расчет производится для труб диаметром 10-40 мм с толщиной стенки 1,0-2,5 мм.

Основной задачей расчета является определение функции <p = <p{z,cr,s,SR), так как рассматриваемые функции /{(?>),/2(?>)>#2(г)

зависят от распределения центрального угла формовки и межкпет ьеном интервале.

В зависимости от протяженности межхлегьевого mi i cpmina даны возможные варианты распределения участка подгибки трубной заготовки, зон распружинивання и стабилизации кромок.

Сворачиваемая полоса в продольном направлении упруго-пласгически деформируется. В наружных к внутренних областях трубной заготовки присутствуют зоны продольных растягивающих и сжимающих деформаций. Наличие продольного изгиба полосы приводит к повороту перпендикулярных к оси формовки сечений на некоторый угол Ü. Знакопеременный изгиб трубной заготовки в продольном направлении при пластических деформациях ведет к образованию гофров на кромках и затрудняет процесс сварки.

Анализ параметров напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки проведен с изменением толщины стенки. При увеличении толщины стенки с 1 до 2 мм и одинаковой величине подгибки полосы в клети величина продольной деформации возрастает в 3..4 раза.

Основной проблемой при получении кач-jciпенного сварного шва трубы является волнистость кромок трубной заимовки. Причиной гс образования в процессе формог.ки служат нлаг.шческне продольные деформации в кромках полосы. Это ведет к их оспгточному удлинению и возникновению гофров.

Наружный и внутренний грат образуется при сварке кромок тр\биои заготовки. Удаление наружною ipara не представляет трудноасй ti я

э

труб любых размеров. Удаление внутреннего грата для труб средних диаметров является серьезной задачей, а для труб малых диаметров (</ 2 25 мм) на современных трубоэлектросварочных агрегатах его практически удалить невозможно.

Размеры и форма внутреннего грат^ являются одним из основных показателей качества электросварной трубы. Расчет напряженно-деформированного состояния трубной заготовки в закрытом калибре осуществлен с учетом деформированного состояния полосы в предыдущих клетях. Расчет произведен для труб диаметром от 20 до 50 мм с толщиной стенки от 0,8 до 2,5 мм для стали 08.

Анализ распределения интенсивности напряжений показывает, что наибольшая область пластической деформации сосредоточена в наружных зонах материала трубной заготовки в месте подгибки кромок.

Проведенные расчеты с увеличением диаметра вогнутого нижнего кромкогибочного валка показывают выравнивание размеров зон пластического изгиба по величине. В этом случае диаметр нижнего кромкогибочного валка увеличен на 60%.

В закрытых клетях в кромках возникают сжимающие напряжения и деформации. Распределение и величина их зависит от формы и размеров разрезной шайбы.

В последней закрытой клети кромки отформовываются на угол у-.

Угол между кромками трубной заготовки в последней закрытой формовочной клети должен быть в интервалеО £ у- <, 30 град.

Проанализированы параметры формовки, определяющие угол схождения и напряженно-деформированное состояние кромок трубной заготовки с целью исключения гофрирования кромок при их сведении и существенного снижения размеров внутреннего грата. Установлено, что перед зоной сварки предпочтительным является схождение практически параллельных кромок трубной заготовки.

На основе анализа напряженно-деформированного состояния трубной заготовки предложен метод выбора и расчета рекомендуемых технологических параметров процесса формовки гладкими валками.

В четвертой главе для проверки достоверности результатов расчета по выбранной математической модели при проведении эксперимента по формовке гладкими валками трубной заготовки определены следующие величины:' сила формовки в поперечном направлении и основные геометрические параметры очага формовки (пятно контакта, форма поперечного сечения, геометрия осевого волокна, зазор между кромками). Для исследования процесса формовки полосы в трубную заготовку изготовлена лабораторная установка. Она позволяет смоделировать различные режимы очага формовки полосы.

Для описания закона изменения формы осевого волокна трубной з;потопки производили замеры высоты нижней точки полосы в процессе формовки. На основе измерений построены кривые изменения высоты

профиля, ' угла формовки, угла наклона сечения, радиуса формовки, по длине очага сворачивания полосы. Изменение формы сечения полосы

------происходит не по окружности, а по кривой переменной кривизны. В

процессе проведения эксперимента при различных центральных углах формовки определяли профили поперечного сечения трубной заготовки при изменении радиуса в клети.

Приведены экспериментальные и теоретические графики изменения силы формовки для трубы диаметром 020 мм с толщиной стенки 0,8 мм из стали 08. Ошибка между экспериментальными и теоретическими значениями составляет не более 12%. Это допустимо в инженерных расчетах.

Для определения зависимости силы формовки ог величины текущего радиуса формовки проведены замеры при разных центральных углах формовки для различных геометрических размеров полосы. Установлено с увеличением угла подгибки трубной заготовки возрастание значения силы формовки. Это наряду с определением зависимости силы формовки от угла приложения согласуется с полученными теоретическими результатами.

В продольном направлении очага формовки в процессе эксперимента изменяли геометрию осевого волокна за счет высоты нижней точки трубной заготовки. Поведение полосы в межклетьевых промежутках оценивали по траектории движения кромки трубной заготовки. При изменении расстояния между клетями исследовали угол наклона поперечных сечений трубной заготовки.

В пятой главе проведен расчет технологического процесса формовки электросварной прямошовной трубы на основе разработанною метода.

Предложенная в данной работе формовочная система с коническими формовочными валками (рис. 1,6) решает целый ряд проблем на основе следующих факторов: индивидуальная настройка каждой формовочной клети при переходе на следующий типоразмер; упрощение траектории перенастройки положения конических валков; использование сдвоенных боковых конических валков с горизонтальными нижними и верхними роликами для создания закрытой клети; искривление осевого волокна формуемой трубной заготовки.Установка и выверка размеров валков в быстросъемных кассетах производится на специальном стенде вне кромкогибочной стана. Радиус валков кромкогибочной клети определяют для размера трубы по формуле

Лл = Лг+(1.2), (5)

где Я-р - радиус готовой трубы, мм.

В последней формовочной закрытой клети верхний три юшальный ролик выполняется ступенчатым с направляющим ножевым диском ;ия придания необходимого зазора между сходящимися кромками трубной заготовки. Ширина диска рассчитывается по формуле

п

б.

Рис. I. Формовочная клсгь с гладкими валками открытого типа; а -существующая, б - предлагаемая.

где/,-функция, определяющая величину lauip.i между лроыьлмм

трубной заготовки перед сваркой (0,05-0,1):-------------------------------------------

Учитывая недоста1К»1 известных конструкций групофорчоиочны-. станов с цилиндрическими валками фирмы "ФПГ Г - Л JIM 1111! ¡ " (piu I разработка конструкция cimu с пшлкнми кошп'ткнмн iffli:;iwn

Новая конарукция трубоформовочного сына со сдвооинтмм коническими валками обеспечивает создание клеи: закрыюю пша Использование коническою формовочного imcipv-ftn¡,¡ ичгге-цилиндрических роликов значительно упрощает |рл-.*кюрию n¡ i >,nipoi!Mt при перенастройке.

В закрытых формовочных клетях угол конусности верхней) ролика выполнен для обеспечения заданною зазора между кра^каил ¿л* m\:rci диапазона формуемых труб.

В специальных кассетах закреплены боковые конические палки Направляющие для автоматической перенастройки на следующий типоразмер выпускаемых труб имеют в пространстве угол наклона ¡I,.

Угол регулировки в i-той клеш определяется следующим выражением для <р<220 град:

Для угла формовки <f>>220 град выражение дн>1 >t.(¿t |¡t;i у.троиш примет вид:

максимального диаметра трубы соответственно в ¡-тон клеш, мм.

Конусностью боковых холостых валков обеспечивается линейное перемещение при регулировке и равенство у 1.1011 [I в нескольких

последовательных клетях за счет изменения и.и кинусност Гк'чадчм палка а.

Таким образом, при рассмотрении ¡-той и 1+1-той клетсИ изменение угла конусности + | определяется по слезающем) т->рд*ен1т •

Угол конусности бокового коническою палка а- +1 равен

Vi/; у 2 ■ /fjí'/jy j

О)

где * Угол приложения силы при формовке tiniuiu.cibHüiú и

максимального диаметра фубы соошстсгненно в i-той клеш, рал:

- текущий радиус при формовке минни.га,жн о ч

°» + 1 я<*Л7 + 1+Л"| И

(10)

13

где а дг(- ( | - угол конусности валка, определяемый по величине сипы формовки, рад.

В программе расчета, реализованной в электронных таблицах ''Яирегсл1с" и "ЕхссГ, варьируемыми параметрами являются: форма осевого волокна; расстояние между клетями; закон изменения угла иод! нбаемой к|юмкн.

В процессе расчета анализируется изменение продольных деформации кромки и осевого полокна. В результате расчета выбираются значения задаваемых параметров при условии отсутствия пластических деформации в продольном направлении в различных точках полосы.

В каждый из участков предлагаемого универсального стана встраивается индивидуальный привод, и сворачивание полосы в трубную заготовку производится холостыми гладкими валками. Значительно снизятся также за фаты на перенастройку стана. В этом случае не фебуется заново производить регулировку по нижней осевой точке полосы в продольном направлении сгана.

В_Щ'ШШЖеиии приведены результаты расчета напряженно-

/¡сформированного состояния материала трубной заготовки при формовке ыадкимн валками, акт о внедрении методики и результатов расчега на Московском трубном заводе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Анализ современного состояния производства прямошовных (зектросварных труб показал, что в настоящее время не существует (овершеннон меюдикн расчета параметров процесса формовки с помощью гладких валков. Сегодня применяется эмпирический подход, ! »снованный на опыте конструктора и экспериментальных данных.

2. С целью разработки методов расчета основных технологических и Н'нструкпншых параметров формовочных станов с гладкими валками проведен сравнигсльный анализ нескольких численных методов расчета параметров напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки и выбран в качестве рабочего метод конечных элементов.

3. Предложена математическая модель процесса формовки гладкими валками на основе плоской упруго-пластической задачи и получено рснюиие, онредсчяьчтх параметры напряженно-деформированного состояния ман-риала трубной заготовки в продольном и поперечном шпрашичнш.

>4. >стаи.чик-м.1 вечичнпа неравномерности распределения деформации и напряжений по течению материала трубной заготовки в прпжчче ф.^рчонки п определены |рлнипы упругой и пластической зон, а I Лкже рассчкганы:

- щ ют.'Г п арлмстры формонкн;

. - >1/1(4 нак.чона шч-фумеша по клетям стана;

- допустимые иедннпны ПОДГНбкИ ti форНПВОЧНМ* K4CTÜX Пи

---------------условию ТОЧНОСПГГСОМСГРНЧССКОЙ фпршл ТрубНОНЗаУхП.^КИ'

• углы поворота поперечных сечений ip\óno¡i июн-икн н процессе формовки.

5. Рафаботаны кршерин выбора параметров стана и продольном направлении, в том числе:

- расстояние между клстнми;

- количество валкой н клеш и их положение;

- длина стана;

- patMqibi тон контактной деформации и распружиннвання.

А. Угтеиояпекм зависимости мте'ду lutnjvr.Kíttwi дрфгргя'рогг.ши; vi сосюянием к|юмок ipyótioii »игоп'нкн на «vhoi'p кпг'фнт чо'уг рассчитываться параметры формовки, исключающие i офрнрчнлние кромок при нх сведении, что существенно снижает размеры внутреннего грата. Рекомендуется неиосрелстненно перед юной сварки обеспечивать сближение практически параллельных кромок трубной заготвкн. Характер схождения кромок определяет калибровка инструмента в кромкогнбочной и последних закрытых формовочных клетях. Предложен расчет калибровки инструмента и разрезной шайбы (форма н размер) в закрытых формовочных клетях.

7. Полученные на созданной пиоираифнен установке -женерименгальные данные по геомстричсскнм i; си и>»*,«ч j<..j..¡мi*i p im п]юцесса формовки гладкими палками, геонефичеч к.чч ¡ытаср.оа очага сворачивания ü точности формы поперечного сечсшп ¡io'íiuu оказано, близкими с расчетными пс.чнчинамн. Ошибка не преныимст Ii» I 2 ' .., чн» подтверждает применимость набранной иа гемл ¡ ичл ki ai ч.мгап и достаточную точность выполненных расчетом.

8. Разработанные методы расчета технмлогнчесьич нлр-нктуоч необходимы для создания новыд конструкции ipsooi влрочмпч счаи-.ч«, обладающих возможностью перенастройки при и ¡гоюилеинн ip>o широкой номенклатуры с минимальными затратами времени и сокращенным обьемом инпрумешл, а ü дсГч-;<п;.;1н>-ч ирчп ai,< п п-с сократит! время и расход м ! ¡(-риала на переч.ы.ику .

9. предложен новым тип инструмента формовочного стана -конические валки, повышающие удобство обслуживания и ючност'ь формовки труб. Представлены зависимости л. гл п^н-нал лл.нн уннперсаиьнпго формовочного стакч ни разный ч!Н!<ф'и»«ср «ц.туоло'иы* груб, сокращающие время и настроечные работ.

10 I ¡род so J.ena мш-друкцня ьн.рыплч ф<ч -■¡.)í<.--¡¡i-a\ г icün »прглеччюмш «тшмтло орнмггпнпо кромо>; трчпчоч -лг.'чоагн :: поиынкношач стачи чьнос! ь нроттсл с.м;ч ч

11. Paip.tßoiaHHbiü ы с 111,1 р.ачста

рекомендации по совершенствованию пройти формовки г.т.итми валками н предложенная конструкция лдгмгнтн оёорчдолаиш ¡ rana и истый тип ипечрумоиа принят и ДО "<1>!1ПП" (М.чмчн кии ipyüic.at

1*1

завой).

Основное содержание диссертации стгражено в работах:

1. Глебов Л.А. Определение величины подгибки грубиой заготовки в клеш п прокате формовки гладкими валками//К111П. -1998. -N.7. -С. 3538.

?.. Чехии Л.Ф., Жулия.ов Н.В., Глебов А.А. Определение положения рабочею инггруменга при формовке трубной заготовки ¡-падкими ватками//Меналиурь-1998.-N.6.-С.4МЗ.

/б

/

г, ■<•

Московский Государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

ГЛЕБОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМОВКИ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ ГЛАДКИМИ ВАЛКАМИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА И КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Синицкий В.М.

Научный консультант: кандидат технических наук

Чехии А.Ф.

Москва - 1998 г.

Оглавление.

Стр.

Введение.............................................................................................5

Глава 1. Современное состояние и тенденции развития производства прямошовных сварных труб.

1.1. Анализ способов производства прямошовных сварных труб...8

1.2. Современные направления в создании новых...........................16

технологий формовки трубной заготовки.

1.3. Задачи исследования процесса формовки.................................20

гладкими валками.

1.4. Выводы.......................................................................................22

Глава 2. Теоретическое исследование процесса формовки трубной заготовки.

2.1. Существующие теоретические исследования...........................24

процесса формовки.

2.2. Сравнительный анализ современных численных....................29

методов по решению упруго-пластических задач.

2.3. Алгоритм решения задачи с использованием.........................32

метода конечных элементов.

2.4. Выводы.....................................................................................43

Глава 3. Разработка метода расчета параметров процесса формовки на основе решения упруго-пластической задачи методом конечных элементов.

3.1. Выбор модели расчета и граничных условий.........................44

3.2. Определение места приложения усилия..................................47

при формовке гладкими валками.

3.3. Зависимость точности формы трубной..................................56

заготовки от параметров процесса.

Стр.

3.4. Выбор параметров процесса в продольном..........................73

направлении и расчет напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки.

3.5. Расчет параметров подгибки кромок для уменьшения.........89

внутреннего грата при сварке трубы.

3.6. Выводы...................................................................................108

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса формовки трубной заготовки.

4.1 Задачи экспериментального исследования............................110

4.2. Описание экспериментального оборудования.....................111

4.3. Проведение экспериментов на лабораторной установке.... 112

4.4. Геометрические параметры очага........................................123

формовки трубной заготовки.

4.5. Силовые параметры процесса формовки.............................126

4.6. Экспериментальная проверка математической....................135

модели расчета параметров формовки.

4.7. Выводы..................................................................................136

Глава 5. Совершенствование технологии и разработка элементов оборудования процесса формовки трубной заготовки гладкими валками.

5.1. Рекомендации по совершенствованию технологии............138

формовки.

5.2. Предлагаемый технологический процесс на примере........148

формовки трубной заготовки из низкоуглеродистой стали.

5.3. Принцип работы нового формовочного оборудования.... 154

5.4. Основные элементы конструкции формовочного стана.... 162

5.5. Параметры автоматической переналадки стана на............165

разный сортамент выпускаемых труб.

Стр.

5.6. Выводы..............................................................................171

Общие выводы.........................................................................173

Литература...............................................................................176

Приложения.............................................................................184

Введение.

В настоящее время производство стальных труб в мире непрерывно возрастает. Сварные трубы в общем количестве составляют более 60%. Увеличение производства труб сваркой объясняется технико-экономическими преимуществами этого метода по сравнению с бесшовными. Электросварные трубы находят свое применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Они служат не только для транспортировки воды, газа и т. д., но и как конструкционные профили, отличающиеся малым весом.

Электросварные прямошовные трубы по многим качественным показателям не уступают бесшовным. Увеличение качества и снижение себестоимости связано с разработкой и внедрением новых технологических процессов и оборудования, характеризующихся высокой степенью автоматизации и возможностью быстрой переналадки на следующий типоразмер выпускаемых электросварных труб.

Современные трубоэлектросварочные агрегаты представляют собой сложные автоматические системы, включающие целый ряд устройств и механизмов, работа которых строго согласована. К ним относятся: устройства подачи ленты, трубоформовочная группа клетей, сварочный узел, группы клетей редуцирования и калибровки, устройства приема готовой трубы. Легко совмещается в одной непрерывной технологической цепочке профилировка и нанесение защитных покрытий. Основу низкой себестоимости сварных труб составляют значительно меньшие энергозатраты, требуемые для ведения процесса формовки трубной заготовки, чем в процессе прокатки.

Работа направлена на решение важной прикладной задачи разработки нового технологического процесса формовки трубной заготовки гладкими валками, характеризующегося высокой производительностью и степенью автоматизации.

Целью работы является разработка технологических основ проектирования нового оборудования для осуществления процесса формовки трубной заготовки гладкими валками и разработка методов настройки действующих станов на разные типоразмеры труб с сокращением времени на перенастройку стана и расхода материала, идущего на настроечные работы с целью повышения производительности, обеспечения гибкости и экономической эффективности производства прямошовных электросварных труб на базе Московского трубного завода.

Важнейшим процессом в производстве сварных труб является формовка трубной заготовки. Главными критериями качества формовки являются точность формы трубной заготовки, отсутствие пластических продольных деформаций в кромках, обеспечение стабильности процесса сварки, уменьшенный размер наружного и внутреннего грата в сварной трубе. Поэтому требуется разработать метод расчета основных технологических параметров процесса формовки гладкими валками.

Анализ напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки в процессе формовки требуется произвести на основе решения упруго-пластической задачи с использованием метода конечных элементов.

Для проверки достоверности теоретической модели разработана методика проведения экспериментальных исследований на изготовленной лабораторной установке, позволяющей смоделировать различные условия протекания процесса.

Созданы предпосылки для проектирования универсальных формовочных станов с предложенным новым видом рабочего инструмента, упрощающим эксплуатацию и сокращающим затраты при перенастройке стана.

Использование технологического инструмента с простой образующей (гладких валков) позволяет значительно уменьшить затраты

при изготовлении валков. Таким образом, формовка гладкими валками с точки зрения производства позволяет:

- повысить фонд рабочего времени ТЭСА;

- обеспечить качество продукции;

- снизить производственные затраты;

- повысить степень автоматизации.

Предметом защиты является предложенный метод выбора и расчета рекомендуемых технологических параметров процесса формовки гладкими валками.

Предметом защиты является определение параметров напряженно-деформированного состояния материала трубной заготовки на основе решения пл оской упруго -пл астической задачи с использованием метода конечных элементов.

Предметом защиты являются рекомендации по выбору параметров инструмента и совершенствованию процесса формовки трубной заготовки гладкими валками, а также их практическое внедрение на действующем оборудовании. Разработан метод настройки действующих станов на разные типоразмеры труб с сокращением времени на перенастройку стана и расхода материала, идущего на настроечные работы.

Работа выполнена на кафедре "Металлургические машины и агрегаты" МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Глава 1. Современное состояние и тенденции развития производства прямошовных сварных труб.

1.1 Анализ способов производства прямошовных электросварных труб.

Современные трубоэлектросварочные агрегаты (ТЭСА) содержат в своем составе: устройства подачи ленты, трубоформовочную группу клетей, сварочный узел, линию калибровки и редуцирования, устройства приема готовой трубы.

На существующих ТЭСА производят прямошовные трубы диаметром 6-530 мм и толщиной стенки 0,5-12 мм из углеродистых и нержавеющих сталей.

В устройствах подачи ленты рулон полосы определенной ширины разматывается, правится, стыкуется и сваривается с концом предыдущего рулона. Полученная бесконечная полоса поступает в непрерывный формовочный стан, где путем изгиба сворачивается в трубную заготовку цилиндрической формы. В сварочном узле происходит разогрев кромок трубной трубной заготовки и их сдавливание встык. Полученный сварной шов обрабатывается для удаления грата.

Линия калибровки и редуцирования служит для придания готовой трубе правильной круглой формы и точных размеров. Редукционный стан, установленный в линии ТЭСА, позволяет значительно расширить сортамент выпускаемых сварных труб.

Устройства приема готовых труб существуют для испытаний, осмотра, маркировки, порезки и упаковки готовой продукции.

Процесс формовки полосы в трубную заготовку определяет стабильность работы всего ТЭСА и получение качественной продукции.

При производстве труб разного сортамента могут возникать специфические проблемы процесса формовки.

Производство прямошовных сварных труб большого диаметра характеризуется большими энергозатратами и сложностью технологического оборудования.

В производстве тонкостенных труб при выборе параметров очага формовки определяющим являются продольные деформации кромок трубной заготовки, что затрудняет процесс получения качественного сварного соединения.

В производстве сварных труб средних и малых диаметров стремятся к монотонной деформации в очаге формовки трубной заготовки, что позволяет уменьшить длину стана, удешевить его конструкцию.

Решение подобных задач заставляет в последние годы анализировать очаг формовки трубной заготовки, изучать напряженно-деформированное состояние полосы в процессе изгиба, предлагать новые технологии формовки и различную калибровку формующего инструмента.

Непрерывные трубоформовочные станы традиционной конструкции состоят из чередующихся вертикальных и горизонтальных клетей. Общее количество от двенадцати и выше. Горизонтальные клети являются приводными, вертикальные - неприводные.

Горизонтальные клети имеют калибры открытого и закрытого типа. Верхние валки клетей с закрытыми калибрами имеют шовнаправляющие шайбы. Для создания более монотонной деформации в очаге формовки применяют роликовые холостые проводки между клетями.

Строгого подхода к выбору той или иной калибровки не существует из-за большого количества факторов и требований, определяющих технологический процесс формовки трубной заготовки.

Для стабильности процесса сварки труб необходимо, чтобы у сформованной трубной заготовки не было смещения кромок и

гофрообразования. Это особенно важно при тенденции к росту скорости сварки на современных ТЭСА, допусках на ширину штрипса и его серповидности. Все это обуславливает ряд жестких требований к выбираемой калибровке технологического инструмента: обеспечение равномерной деформации в очаге формовки: уменьшение износа валков; уменьшение энергозатрат в процессе формовки и т. д..

Все разнообразие различных калибровок валков обеспечивается выбором или сочетанием комбинаций пяти основных типов [58].

1. Однорадиусная калибровка характеризуется тем. что рабочий профиль выполнен одним радиусом, рассчитанным последовательно для каждой клети. Она проста в исполнении, пригодна для производства труб разного сортамента (по диаметру и толщине стенки), но не является оптимальной по износу валков и устойчивости полосы при отклонении геометрических размеров исходного штрипса (рис. 1.1.а).

2. Двухрадиусная калибровка выполняется двумя радиусами: постоянным во всех калибрах меньшим радиусом, равным радиусу готовой трубы (периферийные участки) и радиусом, меняющимся от клети к клети в процессе формовки трубной заготовки. Калибровка такого типа сложна в изготовлении, но обеспечивает максимальную стойкость валков и высокую устойчивость полосы в очаге формовки. Однако при такой калибровке может существенно исказиться требуемая геометрия готовой трубы, что является неустранимым браком (рис. 1.1.6).

3. Двухрадиусная калибровка с плоским центральным участком и однорадиусными периферийными участками с радиусом готовой трубы позволяет добиться высокой устойчивости процесса формовки, уменьшить износ валков, но отличается сложностью в изготовлении (рис. 1.1.в).

4. Двухрадиусная калибровка валка, выполненная двумя радиусами (центральный участок - радиусом, равным радиусу готовой трубы, периферийные участки - большим радиусом, постепенно уменьшающимся

Рис. 1.1. Различные типы калибровок валков трубоформовочных станов.

Рис. 1.2. Схема деформации полосы в непрерывном формовочном стане.

TUBE AND PIPE MILL TECHNOLOGY

Phc. J .3. OopMOBOMHi.m cTaH c HHjiHimpuMecKKMH Ba.nKaMH.

от клети к клети в направлении формовки), обеспечивает самую высокую устойчивость из всех двухрадиусных, так как при сдвиге полосы в поперечном направлении требуется преодолеть не только силу трения, но и произвести работу по формоизменению полосы по всей ширине штрипса. Недостатком калибровки являются сложность изготовления профиля ручья валка и низкая стойкость в процессе эксплуатации (рис. 1.1,г).

5. Овальная калибровка (по кривым второго порядка), выполненная с монотонно изменяющейся кривизной, позволяет добиться высокой устойчивости процесса формовки, обеспечивает производство труб разного сортамента по толщине стенки и диаметру. В данном случае при формовке полосы удлинение кромок минимально. Валки с такой калибровкой отличаются сложностью в изготовлении и имеют низкую стойкость.

На практике применяется и многорадиусная калибровка валков.

В работе [28] показано, что между двумя смежными формовочными клетями можно выделить четыре зоны (рис. 1.2):

- участок контакта деформируемой полосы с поверхностью валков 1;

- участок внеконтактной деформации 2;

- недеформируемый участок трубной заготовки 3;

- участок распружинивания 4.

Пик деформации растяжения кромок полосы располагается на границе зон контактной и внеконтактной деформации, что доказывает недопустимость резких изменений формы поперечных сечений в процессе формовки трубной заготовки.

При гибке профилей на непрерывных профилегибочных станах возникает [70] аналогичная картина распределения продольных деформаций.

В работе [28] показано, что продольная деформация кромок полосы будет упругой при отношении длины очага сворачивания к диаметру формуемой трубы ЬЮ более 50 на станах традиционной конструкции.

Исследован [58] вариант очага формовки с криволинейным осевым волокном. Дана сравнительная характеристика очагов с разной формой осевого волокна: прямолинейной, выпуклой вниз и вверх. Установлено предпочтение выпуклого вниз осевого волокна с точки зрения продольных деформаций кромок полосы.

Однако трубоформовочный стан с криволинейным осевым волокном более сложен конструктивно, что затрудняет эксплуатацию стана и перенастройку стана на следующий типоразмер выпускаемых труб.

Уменьшение длины стана достигается [58] за счет доформовки изогнутой на 270...300 градусов полосы в валках сварочного калибра. Кромки трубной заготовки подвергаются принудительному растяжению вплоть до момента их сварки. В этом случае гофрообразования не происходит. Однако наблюдается резкое увеличение нагрузок, что повышает энергозатраты процесса, снижает качество готовых труб и увеличивает износ валков.

Опыт эксплуатации трубоформовочных станов с валковым рабочим инструментом и указанными типами калибровки показал, что пластической продольной деформации кромок избежать не удается. Это приводит к волнистости (гофрообразованию) кромок трубной заготовки. В зарубежной и отечественной практике наметился переход к созданию монотонной деформацией в очаге формовки. Для этого предложено использовать неприводные роликовые проводки между клетями традиционной конструкции, элементы скольжения, различные варианты применения роликового инструмента и т.д.

Однако мелкосерийное производство труб несмотря на высокую степень автоматизации современных ТЭСА имеет значительные издержки

и�