автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Моделирование процесса профилирования многогранных труб с целью его совершенствования и выбора параметров стана

На правах рукописи

СЕМЕНОВА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОФИЛИРОВАНИЯ МНОГОГРАННЫХ ТРУБ С ЦЕЛЬЮ ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ СТАНА

Специальность 05.03.05 - «Технологии и машины обработки давлением»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Баранов Георгий Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лехов Олег Степанович, кандидат технических наук, доцент Губарев Александр Павлович

Ведущая организация:

ГНЦ РФ ОАО «Уральский институт металлов»

Защита состоится «/С\У» сентября 2005 г. в 14'

на заседании

диссертационного совета Д212.285.10 в Уральском государственном техническом университете - УПИ, по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул. Мира, 19, ауд.М-323.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета - УПИ.

Автореферат разослан «_> августа 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Е.Ю. Раскатов

2.Р06-4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Профильные трубы, имеющие поперечное сечение, отличное от круглого, или отличную от цилиндрической внутреннюю или наружную поверхность и получаемые обработкой давлением, позволяют достаточно полно использовать механические свойства металла, затраченного для их производства. Большой эффект от применения таких труб приводит к расширению области их использования и значительному приросту потребительских и эксплуатационных свойств изделий, сконструированных с их применением. Это возможно, в частности, на основе применения материалов с повышенными механическими характеристиками, что требует создания новых моделей очага деформации при профилировании и специализированных машин, позволяющих повысить эффективность этих процессов.

Решение указанных проблем требует всестороннего исследования как самого процесса профилирования, так и технологии их производства, для получения конкретных рекомендаций по их совершенствованию, повышению выхода годного и стойкости инструмента. В этой связи необходимо определение рациональной формы волочильного канала, давления металла на инструмент, формоизменения при профилировании, напряженно-деформированного состояния и степени использования запаса пластичности металла для тянутых труб, а также определение этого показателя при формовании из листа труб с наложением тангенциального подпора или растяжения в калибре.

В работе создана методика моделирования, выполнен параметрический анализ процесса профилирования труб для решения указанных выше задач и разработан специализированный стан, что определяет актуальность темы

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, тема «Теоретические основы разработки новых процессов и машин, обеспечивающих повышение уровня конкурентоспособности производимых изделий».

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является совершенствование процесса профилирования ютб и разработка специализированного стана на основе моделирован

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи-

1. Разработаны новые модели очага деформации при безоправочном волочении профильных труб, учитывающие особенности процесса и имеющие достаточно универсальный характер.

2. На основе разработанных моделей определено распределение удельных давлений по поверхности контакта трубы и профилирующего инструмента и получены рекомендации по совершенствованию его формы, проведены исследования, включающие определение напряженно-деформированного состояния материала трубы в очаге деформации, степени использования ресурса пластичности, энергосиловых параметров процесса и геометрии получаемых труб.

3. Разработана методика расчета степени использования запаса пластичности при формовке профильных труб из листа с учетом наложения тангенциальных сил в очаге деформации.

4. Проведено изучение формы и размеров полученных в результате натурного эксперимента образцов труб с целью установления соответствия экспериментальных данных теоретическим, а также определено напряженное и деформированное состояния металла трубы на основе замеров его твердости.

5. Произведена разработка рекомендаций по совершенствованию процесса профилирования труб; даны предложения по созданию специализированных станов для профилирования труб, использование которых позволило бы расширить технологические возможности этого процесса.

Научная новизна работы состоит в создании геометрической, твердотельной и конечно-элементной моделей процесса волочения профильных труб, обладающих высокой точностью определения геометрических и энергосиловых параметров очага деформации, а также компонентов напряженно-деформированного состояния металла; определение на базе указанных моделей ряда зависимостей, включающих давление в зоне контакта инструмента и трубы и степени использования запаса пластичности в характерных точках поперечного сечения готового изделия.

Практическая ценность работы состоит в разработке рекомендаций по совершенствованию процессов профилирования труб и выбору рациональных параметров инструмента, создании технического задания проектирование специализированных станов, позволяющих повысить эффективность процесса.

• л .

Реализация результатов работы. Создана методика выбора рационального профиля волочильного канала, а также расчета сюпени использования запаса пластичности при профилировании, переданная нескольким трубным заводам. Разработано техническое задание на проектирование специализированных станов для профилирования труб путем безоправочного волочения, как из прямолинейных заготовок, так и из труб в бухтах, и выполнен расчет экономического эффекта от внедрения, коюрый составляет 2732 тыс. руб. на одну установку в год.

Результаты исследования применяются в учебном процессе УГТУ-УПИ при чтении лекций по курсам «Математическое моделирование» и «Пакеты прикладных программ», а также при курсовом и дипломном проектировании

На защиту выносятся следующие положения:

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

2. Методика построения геометрической модели очага деформации, отражающая особенности геометрии при плавном преобразовании исходной круглой трубы в конечный профиль с условием соблюдения необходимого соотношения их периметров.

3. Математическая и твердотельная модель очага деформации при профилировании многогранных труб, учитывающая особенности формы волочильного канала, а также объемный характер течения металла, 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 по определению рациональной геометрии волочильного канала, влияния параметров процесса на формоизменение трубы и давления на инструмент, а также напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации и степени использования запаса пластичности при профилировании волочением, в том

5

числе с использованием проталкивания, переднего подпора или противонатяжения, результаты анализа использования ресурса пластичности при формовке профильных труб из листа.

6. Результаты экспериментальных исследований профилирования многогранных труб, включающие определение их формоизменения, а также интенсивности напряжений и деформаций на основе измерения 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.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и обсуждены: на VI и VII отчетных конференциях молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ в 2004, 2005 г.г.; на V межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» УрГУПС, 2004 г.; на IV международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах», Череповец, 2004 г.; на II Российской межвузовской конференции по компьютерному инженерному анализу, г. Екатеринбург, 2005 г.; на V Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве», г. Новокузнецк, 2005 г.; на 7-ой Международной научно-технической конференции «Пластическая деформация металлов», г.Днепропетровск, Украина, 2005г.; в Екатеринбургском филиале семинара по теории механизмов и машин Российской академии наук, 2005 г.

Научно-техническая разработка «Поточная линия для производства профильных труб» экспонировалась на Евро-Азиатской промышленной выставке, г. Екатеринбург, 2005 г. и удостоена серебряной медали.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 93 наименования, 4 приложений. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста и содержит 66 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны предмет и цель исследования, актуальность работы, практическая и научная значимость.

Первый раздел посвящен изучению существующих способов и оборудования для производства профильных труб, а также методов теоретического исследования и постановке задач. Проанализирован сортамент и способы получения профильных труб, определены требования к качеству Из всего многообразия профильных труб в данной работе рассмотрены многогранные трубы, которые производятся волочением без оправки из круглой заготовки в профильных волоках, а также трубы, полученные формовкой из листа.

Изучение существующих теоретических исследований процесса волочения профильных труб, выполненных в работах И.Л.Перлина и М.З.Ерманка, П.И.Орро, А.И.Дорохова, В.Л.Колмогорова, В.В.Швейкина и В.Б.Славина, В.Н.Данченко, А.К.Шурупова и А.М.Фрейберга и др. позволяет сделат ь вывод, что его энергосиловые параметры и конечное формоизменение достаточно хорошо исследованы, а полученные зависимости нашли практическое применение. Однако такие важные характеристики как напряженно-деформированное состояние металла, давление на инструмент и вероятность разрушения не изучены, а выбор рациональных параметров инструмента производится в большинстве случаев на основе производственного опыта. Существующие станы для волочения являются универсальными и не в полной мере соответствуют особенностям процесса профилирования труб.

В работах Ю.М. Матвеева, В.Я. Осадчего, Г.А. Смирнова-Аляева, Г.Я. Гуна, П.И. Полухина, А.П. Чекмарева, И.С. Тришевского, Б.В. Калужского, М.Е. Докторова и др. подробно изучено напряженно-деформированное состояние металла, геометрия очага деформации и формоизменение при формовке труб и гнутых профилей, вычислена допустимая степень деформации, а также предельные радиусы гиба. Вместе с тем для особых случаев формовки (наложение тангенциальных растягивающих или сжимающих напряжений и др.) требуется разработка методики расчета степени использования ресурса пластичности, которая учич ывает как деформированное, так и напряженное состояние. На основе проведенного анализа выполнена постановка задач теоретического и экспериментального исследования.

Второй раздел работы ставит своей целью разработку модели очага деформации. Схема формоизменения при профилировании на рис.1 приведена для случая волочения шестигранных профильных труб.

Рис. 1. Схема формоизменения при профилировании труб волочением

Процесс деформации протекает следующим образом. Исходная труба, имеющая размеры ОохБо преобразуется в многогранную трубу, имеющую диаметр описанной окружности Б и размер «под ключ» Н, стенку толщиной Б и радиус закругления по наружной поверхности г. Часть периметра трубы в процессе деформации принимает плоскую форму (грань трубы), а на другой части кривизна значительно увеличивается и возникает ребро профильной трубы. В зависимости от условий деформации на гранях трубы может возникать вогнутость различной величины. Радиус закругления г также может варьироваться. Рассмотренная форма очага приводит к тому, что для случая квадратной трубы имеет место осевая симметрия четвертого порядка, а для случая шестигранной трубы - шестого порядка. Сказанное означает, что определяющие уравнения математической модели не могут быть упрощены и следует принять объемную схему очага деформации.

В этом случае математическая модель процесса деформации содержит три уравнения равновесия, соответствующие принятым координатным осям X, У и Ъ, уравнения Коши и физические уравнения связи напряжений и деформаций.

Граничные условия процесса рассмотрены для следующих случаев: приложение деформирующего усилия к переднему или заднему концам трубы, волочение с противонатяжением, проталкивание с подпором. Поскольку

в

ч

процесс профилирования протекает вхолодную, то учитывается упрочнение металла в виде степенной зависимости

=°0,2 (!)

Расчеты показали, что при безоправочном профилировании давление металла на инструмент примерно соответствует давлению при волочении круглых труб. Поэтому силы трения учитывали на основании закона Кулона -Амонтона, варьируя коэффициент трения. В процессе расчетов необходимо определять такие инварианты процесса, как интенсивность напряжений а1 и интенсивность касательных напряжений Т, интенсивность деформаций с,,

гидростатическое давление а = а1+а2+ °"3 и показатель напряженного

состояния Степень использования ресурса пластичности вычисляется по модели В.Л.Колмогорова - А.А.Богатова

А\<и .

® = ®о+1л--Ай)> (2)

1=1 О лр

где - исходная поврежденность материала;

Аб) - поврежденность, устраняемая термообработкой; п - число циклов деформации. Степень деформации до разрушения Яр в этой модели аппроксимирует

опытные данные по пластичности материалов и учитывает показатель Лоде ¡л^ , а также показатель напряженного состояния

Ьр =[%2 ~{х\ - хг)^]ехр[я2 - (3)

Степень деформации при волочении учитывает приращение ее на входе и выходе очага деформации. Работа пластической деформации для принятой модели среды находится в виде:

<тГ4+1

Г + -

5° Ь +1

Сформулированная подобным образом задача не может быть решена в аналитическом виде, и поэтому необходимо применение приближенных методов. В данной работе использован метод конечных элементов, основу которого составляет уравнение равновесия одного элемента [Я"]{с} = {/•} и конгломерата элементов, составляющих пластическую область.

Для получения этого уравнения использовано известное вариационное уравнение вида

Ш|

V

\тШ

¿V- \\piUjdS 5

= 0.

(5)

После определения вариации работы внешних и внутренних сил и подстановки их в исходное уравнение имеем основное уравнение метода конечных элементов, для которого матрицы [К] и [Р] пластической области имеют вид:

М= I Яр]Т[сШ;

Т • (6)

[р]= i

т=1 5

Одним из основных этапов расчета по методу конечных элементов является построение конечно-элементной модели очага деформации. Для этого были построены в масштабе 1:1 примитив трубы (полый тонкостенный цилиндр), заданы шесть плоскостей боковых стенок волоки или ее объем, которые взаимодействуют с трубой в процессе волочения. Воздействие на трубу захватов, вытягивающих ее из волоки и направляющих проводок смоделировано перемещением переднего сечения трубы и заданными ограничениями в степенях свободы.

При конечно-элементном решении задач качество и плотность разбивки модели оказывают решающее значение на точность и время решения, поэтому правильной разбивке модели было уделено достаточно много внимания. Модель была разбита при помощи 10-узловых тетраэдральных элементов. Известно, что применение этого типа элементов в разбивке твердотельных моделей, содержащих криволинейные поверхности, позволяет значительно повысить точность решения. При недостаточно мелких размерах элементов в

10

процессе профилирования может происходить сильное искажение формы элементов, что приводит к снижению точности решения. В этой связи особое внимание было уделено разбиению модели в областях, близких к поверхности трубы, а особенно в зонах, близких к углам шестигранного профиля. Произведено сгущение сетки на внутренней, рабочей поверхности волоки, при этом ее наружная поверхность имеет грубую разбивку для снижения времени решения. Кроме этого, сгущение стеки произведено на переднем конце трубы для более точного определения формы профиля трубы на этом участке.

Модель волоки была принята абсолютно жесткой, что моделировалось заданием отсутствия перемещений во всех узлах модели волоки. Для моделирования контактного взаимодействия трубы и волоки были указаны контактные плоскости, которыми являются внутренняя поверхность волоки и наружная поверхность трубы. При этом вектора-нормали контакта для волоки и трубы направлены встречно, что исключает взаимное проникновение их объемов.

Кривые упрочнения задавались для материалов: сталь 10, сталь 20, сталь 12Х18Н10Т, латунь Л63, титановый сплав ВТ 1-0.

Определялись следующие основные параметры: форма распределения удельных давлений на контакте трубы и волоки, конечная формы трубы (в деформированном виде), величина перемещения трубы в волоке, рабочее усилие волочения. Отслеживалось также изменение величин, определяющих напряженно-деформированное состояние материала трубы в характерных точках очага деформации: интенсивность пластической деформации, главные напряжения, интенсивность напряжений, гидростатическое давление.

На основе этих величин находили поврежденность металла со. За один переход волочения поврежденность определяли как сумму поврежденностей на входе и выходе из волоки, а также и при перемещении частицы в очаге деформации, причем при расчете этого слагаемого показатель напряженного состояния принят средним по очагу деформации

Алгоритм расчета кратко выглядит так: задается перемещение границы рассматриваемой области, вычисляются значения механических свойств материала и на этой основе находится интенсивность деформаций и напряжений, производится сравнение по критерию Мизеса. На новом шаге расчет повторяется. Величина перемещения за один шаг решения невелика,

поэтому деформаций можно считать малыми. Задавая перемещения переднего или заднего конца трубы, ее продвигали в волоке до полного формирования очага деформации. Для отдельных случаев расчета наряду со стационарным процессом деформирования рассматривали также и нестационарные этапы, включавшие прохождение через волоку переднего и заднего концов трубы. Величины противонатяжения или подпора трубы задавали в долях от сопротивления деформации материала.

Третий раздел работы посвящен параметрическому анализу процесса профилирования труб. Установлен диапазон варьируемых параметров и на первом этапе отыскивали рациональную форму волочильного канала. Для сравнения рассмотрели четыре типа волочильного канала: сужающийся канал многогранной формы (тип 1), сужающийся канал многогранной формы с калибрующим пояском (тип 2), а также канал, имеющий многогранную форму рабочей поверхности, калибрующий поясок и скругление между ними (тип 3), рассмотрен также канал с плавным переходом из круглого в профильное сечение (тип 4). Сопоставление формы канала производилось по следующим показателям: максимальное и среднее значения давления в зоне контакта, максимальная и средняя интенсивности деформации, тяговое усилие и работа пластической деформации (рис.2). Установлено, что по этим показателям рациональным является применение канала типа 3.

С использованием найденной рациональной формы канала волоки установлено распределение давления металла на инструмент. В частности анализировались случаи незаполнения профиля, потери устойчивости стенки при волочении, а также случай получения нормального профиля (рис.3). Найдено, что от входа к выходу давление нарастает, причем в средней зоне грани имеет место отсутствие контакта изделия и инструмента.

й

ил

□ 2

ТИП волоки

тип волоки

В 1

□ 2

Максимальное (1) и среднее (2) давление в зоне контакта

Максимальная (1) и средняя (2) интенсивность деформаций

20000 15000 10000 5000

о

1 2 3

тал волоки

180

140 ■120 С юо ; ю

' ео

40

20 о

Тяговое усилие профилирования

Максимальная по очагу работа пластической деформации

Рис.2. Влияние типа канала волоки на показатели процесса профилирования

Выполненный параметрический анализ конечного формоизменения при профилировании, в частности, показал, что на переднем конце трубы диамегр описанной окружности профиля меньше, чем в основной ее части, а на заднем конце - больше. Прогибы граней переднего конца трубы превышают таковые в основной ее части.

МПа

■ 160-180

□ 140-160

■ 120-140 0100-120

■ 80-100

□ 60-80

□ 40-60 ■ 20-40

□ 0-20

Рис.3. Распределение удельного давления металла по грани профиля

трубы

Параметры напряженно-деформированного состояния металла в очаге деформации рассчитывались для характерных точек: наружной и внутренней поверхности трубы в середине грани, а также для этих же поверхностей по ребру профиля. Установлено, что максимум интенсивности деформации расположен по ребру трубы на ее внутренней поверхности. Некоторое увеличение этого показателя имеет место и на наружной поверхности в середине грани. Материал трубы мало влияет на ишенсивность деформации.

Показатель напряженного состояния несколько изменяется по длине очага деформации, причем для середины наружной поверхности грани он является отрицательным, а для внутренней - положительным. В поперечном сечении трубы на выходе из очага деформации этот показатель значительно изменяется по периметру трубы. Так, для наружной поверхности в передине грани трубы он является отрицательным, а для ребра - положительным. Для внутренней поверхности трубы наблюдается обратная картина. Зависит этот показатель и от марки материала (рис.4).

уУТУ^

0.378

Рис.4. Показатель напряженного состояния в поперечном сечении очага деформации: а — сталь 20, б — титан ВТ 1 -0

Степень использования ресурса пластичности максимальна по ребру профиля на внутренней поверхности. Некоторое увеличение значения имеет место также в середине грани на наружной поверхности. Значительное изменение показателя происходит также в зависимости от марки материала: так для титана ВТ 1-0 эта величина может достигать в сопоставимых условиях 0,91. В это же время для стали 20 она не превышает 0,55 (рис.5).

Рис.5. Распределение степени использования ресурса пластичности в поперечном сечении на выходе из очага деформации: а - сталь 20, б - титан

ВТ1-0

Найдено, что применение проталкивания или проталкивания с подпором приводит к снижению степени использования ресурса пластичности при одном и том же маршруте профилирования, а применение противонатяжения снижает величину прогиба граней профиля.

Основной операцией при формовке труб из листа является его изгиб по заданному радиусу. В известных исследованиях определено напряженно-

деформированное состояние в этом процессе, а также геометрические параметры очага деформации. Однако определение предельной пластичности производится на основе сравнения накопленной степени деформации с величиной удлинения образца при разрыве. Для особых случаев профилирования, например, при наложении в калибре тангенциальных сил такой подход не позволяет учесть влияние напряженного состояния металла на его пластичность. В данной работе решена задача создания алгоритма расчета степени использования ресурса пластичности при формовке на основе модели В.Л.Колмогорова - А.А.Богатова. С этой целью использованы известные формулы для напряжений, которые преобразованы на основе аппроксимации кривой упрочнения мультилинейной зависимостью. Найден показатель напряженного состояния в заданном переходе профилирования с учетом условия пластичности Мизеса. В результате получено: в зоне растяжения

При определении деформированного состояния использованы известные формулы для приращения степени деформации за переход профилирования, накопленной степени деформации, изменения толщины стенки при профилировании, а также радиуса нейтральной линии. В результате построена блок-схема алгоритма расчета степени использования ресурса пластичности, которая включает определение геометрии очага деформации, деформированного состояния металла с учетом упрочнения. Находится напряженное состояние с учетом подпора или растяжения в калибре и рассчитывается степень деформации до разрушения за один переход

Рн) Р

(10)

в зоне сжатия

(П)

профилирования, а также степень использования запаса пластичности на основе линейной модели суммирования повреждений и производится сравнение с допустимым значением. Далее расчет повторяется в соответствии с заданным количеством профилирующих клетей.

Номера клетей

Рис.6. Изменение накопленной степени использования ресурса пластичности в зависимости от номера клети: 1 - без подпора, 2 - подпор 0,5 сг3, 3 - растяжение 0,5 а5 (сталь 10)

Установлено, что наличие тангенциального подпора в калибре снижает степень использования запаса пластичности, а растяжение его увеличивает, что особенно заметно для труб из стали 10. Для сплава титана ВТ 1 -0 эта тенденция менее заметна. С ростом подпора в калибре степень использования запаса пластичности падает.

Четвертый раздел посвящен экспериментальным исследованиям процесса получения профильных труб, разработке рекомендаций по совершенствованию этого процесса и созданию специализированных машин, осуществляющих этот процесс.

Определены цели и задачи эксперимента, выбрана аппаратура для его осуществления и методика подготовки образцов. Исследование включало установление формы контакта трубы и инструмента, определение формоизменения труб после профилирования. Измерение размеров труб проводилось с помощью микрометра, усилие деформации измеряли силоизмерителем пресса, который предварительно тарировали. При экспериментах варьировали следующие параметры: способ приложения деформирующего усилия (волочение или проталкивание трубы),

относительную толстостенность и наружный диаметр трубы. Статистическая обработка результатов эксперимента выполнена на основе метода точечных диаграмм размахов и средних и получены значения верхнего и нижнего допустимых пределов отклонения, которые и сравнивались с теоретическими значениями.

Установлено, что качественная картина зоны контакта трубы и инструмента совпадает с эпюрой распределения удельного давления, полученной на основе теоретического исследования. Передний конец трубы ввиду особенностей процесса деформации имеет увеличенную вогнутость граней, которая после прохождения переднего конца исчезает. Найдено, что тонкостенные трубы имеют повышенную склонность к потере устойчивости профиля и при определенном превышении периметра заготовки над периметром калибрующего участка волоки происходит потеря устойчивости.

Сравнивался размер профиля по наружному диаметру, размеру «под ключ», вогнутость граней на переднем конце и установившемся профиле, а также усилие деформирования. По этим величинам получена хорошая сходимость теории и эксперимента с точностью от 1,02 до 9,1 %. По методике Г.Д.Деля проведено экспериментальное определение интенсивности деформаций и интенсивности напряжений, для реализации которого на АО «НИОМЕТ» при Уралмашзаводе осуществлялся замер твердости деформируемой трубы. Использовали тарировочный график зависимости твердости по Виккерсу от указанных величин для нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Установлена хорошая сходимость результатов теоретического исследования по разработанной выше модели процесса и экспериментального исследования.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать рекомендации по совершенствованию процессов профилирования труб. Эти рекомендации касаются выбора рационального профиля деформирующего инструмента, типа приложения деформирующего усилия, выбора места отжига в технологической цепочке, исходя из степени использования запаса пластичности и др.

До настоящего времени процессы профилирования труб выполнялись на универсальных волочильных станах, предназначенных для оправочного и безоправочного волочения круглых труб. Проведенное выше исследование

показало, что процесс профилирования труб отличается значительными особенностями от указанных выше процессов.

В этой связи необходимо разработать специализированное оборудование, которое бы соответствовало этим особенностям и позволяло выполнять, например, кроме волочения проталкивание, проталкивание с подпором и др.

С участием автора разработана конструкция стана для профилирования труб. Особенностью стана является наличие двух тяговых устройств, расположенных по обеим сторонам волоки. Предложена также конструкция стана для профилирования труб из бухтовой заготовки с порезкой их на мерные длины на ходу. Выполнена разработка технического задания на проектирование этих станов. Расчет экономического эффекта показал, что за один год интегральный эффект может достигать величины 2 732 тыс. руб. Эта разработка удостоена серебряной медали Евро-Азиатской промышленной выставки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

По работе 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

19

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 созданы твердотельная и конечно-элементная модели процесса. 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, показана возможность подбора ее геометрических параметров для снижения степени использования запаса пластичности материала трубы в опасных точках профиля или 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 пластичное ги 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 путем рационального приложения деформирующих сил повысить качество труб.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО

В РАБОТАХ:

1. Семенова Н.В., Паршин С.В. Анализ способов производства профильных труб. Межвузовский международный сборник научных трудов «Обработка сплошных и слоистых материалов», вып. 30, Магнитогорск, 2004. - с.87 - 97

2. Семенова Н.В., Баранов Г.Л. Сравнительный анализ способов волочения и проталкивания для изготовления профильных труб. Научные труды VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2005.-е. 99-100.

3. Семенова Н.В., Баранов Г.Л. Выбор рационального профиля волочильного канала для профилирования многогранных труб. Научные труды VII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2005. - с. 118 - 119.

4. Семенова Н.В. Использование профильных труб в транспортном машиностроении и направления совершенствования их производства. Труды V межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые -транспорту», УрГУПС, Екатеринбург, 2004, ч.2. - с.210 - 217.

21

5. Паршин C.B., Семенова Н.В. Моделирование процесса и разработка стана для профилирования труб. В сб.: «Наука и технология». Избранные труды российской школы. Серия: Т и МОД. - М: РАН. 2005. - с 119 - 122.

6. Семенова Н.В. Теоретическая модель и разработка нового стана для волочения профильных труб без оправки. Препринт. - ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2005. - 26 с.

7. Паршин C.B., Семенова Н.В. Поточная линия для производства профильных труб. Евро-Азиатская промышленная выставка. Информационный листок, Екатеринбург, 2005. - 2 с.

8. Паршин C.B., Семенова Н.В. Моделирование процесса безоправочного волочения профильных труб. В сб.: «Пластична деформация метал ¡в», HayKOBi bîctî. Сучасш проблеми металурпТ, Дншропетровськ, 2005. - с.428 - 430.

9. Власов Е.В., Семенова Н.В. Особенности технологии производства закрытых гнутых профилей из труднодеформируемых материалов. Тезисы докладов студенческой научной конференции. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Екатеринбург, 2005. - с.259 - 260.

10. Семенова Н.В., Паршин C.B. Создание информационной системы выбора параметров технологических процессов. Труды V Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве». Новокузнецк, 2Q05. - с.444 - 445.

11. Семенова Н.В., Паршин C.B. Информационная система выбора рациональных параметров процесса профилирования труб. Труды IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах Череповец, 2005. - с.75 - 77.

12. Семенова Н.В., Паршин C.B. Конечно-элементное моделирование процесса пластической деформации при профилировании труб. Вестник УГТУ-УПИ № 11(63). Компьютерный инженерный анализ. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. - с.84 - 85.

Компьютерная верстка - авторская ЛР№ 020315 от 23.12.1996 г.

Бумага типографская Печать офсетная

Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 Заказ

Отпечатано в типографии ООО «Издательство УМЦ УПИ» 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 17, С-134.

ÍH975

f

РНБ Русский фонд j

2006-4 13841

С

J

qq

t

Введение

1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ. МЕТОДЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

1.1 Сортамент профильных труб

1.2 Способы получения профильных труб

1.3 Оборудование для профилирования труб

1.3.1. Оборудование для волочения труб

1.3.2. Оборудование для производства профильных труб формовкой из листа

1.4 Требования к качеству, виды брака

1.5 Существующие методы теоретического исследования параметров очага деформации при профилировании труб

1.5.1 Волочение

1.5.2 Формовка профильных труб из листа

1.6 Постановка задач исследования 47 Выводы

2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ОЧАГА ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ

2.1 Геометрические модели при волочении и особенности процесса получения многогранных труб

2.2 Основные уравнения, описывающие напряженно-деформированное состояние при профилировании

2.2.1 Модель среды

2.2.2 Расчет степени использования запаса пластичности

2.3 Выбор метода исследования напряженно-деформированного состояния при волочении

2.4 Конечно-элементная модель очага деформации

2.5 Методика расчета степени использования ресурса пластичности при формовке профильных труб из листа 87 Выводы

3. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРОФИЛИРОВАНИЯ ТРУБ

3.1 Диапазон варьируемых параметров

3.2 Рациональная геометрия волочильного канала

3.3 Влияние варьируемых параметров на формоизменение трубы

3.4 Напряженно-деформированное состояние металла при профилировании волочением

3.4.1 Давление на инструмент

3.4.2 Интенсивность деформации

3.4.3 Показатель напряженного состояния

3.4.4 Степень использования запаса пластичности

3.5 Профилирование труб с использованием проталкивания, подпора и противонатяжения

3.6 Анализ использования ресурса пластичности при формовке профильных труб из листа 124 Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПРОФИЛЬНЫХ ТРУБ

4.1 Цели и задачи эксперимента

4.2 Аппаратура экспериментального исследования и методика его проведения

4.2.1 Подготовка образцов труб для эксперимента

4.2.2 Статистическая обработка результатов эксперимента

4.2.3 Методика определения напряженно-деформированного состояния по измерению твердости

4.3 Результаты экспериментальных исследований

4.4 Рекомендации по совершенствованию технологических процессов

4.5 Разработка технологических линий по профилированию труб 162 Выводы 169 Заключение 170 Библиографический список 173 Приложения

Одной из характерных особенностей современного промышленного производства в Российской Федерации, да и в мире в целом является набирающая силу переориентация технологий в сторону энерго- и 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 очаге; определении (на базе указанных моделей) ряда зависимостей, включающих давление в зоне контакта инструмента с металлом, степень использования запаса пластичности в характерных точках объема готовой трубы; установлении 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 канала; влияние параметров процесса на формоизменение трубы и давление на инструмент; напряженно-деформированное состояние металла в очаге деформации; степень 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.

12

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.

170

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.

1. Данченко В.Н., Сергеев В.В., Никулин Э.В. Производство профильных труб. — М.:Интермет Инжиниринг, 2003. 224 с.

2. Шурупов А.К., Фрейберг М.А. Производство труб экономичных профилей. Свердловск: Металлургиздат, 1963. - 296 с.

3. Zdunkiewicz М. Фасонные трубы как конструкционные элементы // Przegl.mech. 1968. т.27. - №22. - с.687-689.

4. Семенова Н.В., Паршин С.В. Анализ способов производства профильных труб. Межвузовский международный сборник научных трудов «Обработка сплошных и слоистых материалов», вып. 30, Магнитогорск, 2004. с.87-97.

5. Gajdorus О. Применение роликовых волок при волочении квадратных и прямоугольных профилей // Hutn. listy, 1977. -т.32, №1. -с.28-32.

6. Потапов И.Н., Коликов А.П., Друян В.М. Теория трубного производства. М.:Металлургия, 1991. — 424 с.

7. Технология трубного производства / Данченко В.Н., Коликов А.П., Романцев Б.А. и др. — М.:Интермет Инжиниринг, 2002. 640 с.

8. Технология производства труб/ Потапов И.Н., Коликов А.П., Данченко В.Н. и др. М.:Металлургия, 1994. - 528 с.

9. Яковлев В.В., Шуринов В.А., Балявин В.А. Волочение прямоугольных труб на подвижной оправке. М.: 1965. 6 с. Деп. в «Черметинформация». 13.05.85, №2847.

10. Ю.Патент ГДР 70844 МПК6, кл. 7Ь, 9/01 (В21с). Способ и устройство для профилирования тонкостенных труб/ Шёнк К. X. и др. Опубл. 1970.

11. П.Чекмарев А.П.; Калужский Б.В. Гнутые профили проката. М.:Металлургия, 1974. 264 с.

12. Производство гнутых профилей / Тришевский И.С., Юрченко А.Б., Марьин B.C. и др. М.:Металлургия, 1982. - 384 с.

13. З.Данилов Ф.А., Глейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка и прессование труб. М.: Металлургия, 1972. 576 с.

14. Прессование стальных труб и профилей / Гуляев Г.И., Притоманов Е.А., Дробич О.П. и др. М.: Металлургия, 1973. - 193 с.

15. Новый способ изготовления многореберных труб / Носаль В.В., Козлов Б.Н., Азаренко Б.С., и др. М.:Машины и агрегаты металлургического производства, 1984. -с.47-53.

16. Березовский С.Ф. Производство гнутых профилей. М.: Металлургия, 1985.-200 с.

17. Каменецкий Б.И., Резер А.И., Богатов А.А. Гидравлическая формовка сложных полых изделий. В сб.: «Достижения в теории и практике трубного производства», ЕкатеринбурпУГТУ—УПИ, 2004. -с.427—435.

18. Перциков З.И. Волочильные станы. М.:Металлургия, 1986. -208 с.

19. Совершенствование процессов и оборудования для производства холоднодеформированных труб / Шевченко А.А., Резников Е.А., Ляховецкий Л.С. и др. М.:Металлургия, 1979. - 240 с.

20. Технология и оборудование трубного производства / Осадчий В.Я., Вавилин А.С., Зимовец В.Г. и др. М.:Интермет Инжиниринг, 2001. -608 с.й

21. Тришевский И.С., Докторов М.Е. Теоретические основы процесса профилирования. М.:Металлургия, 1980. -288 с.

22. Смирнов В.К., Шилов В.А., Инатович Ю.В. Калибровка прокатных валков. М.:Металлургия, 1987. 368 с.

23. Губашов Б.Н. Исследование деформаций, энергосиловых и кинематических параметров при ' прокатке квадратных и прямоугольных труб: Дисс. канд.техн.наук -Свердловск, 1971. — 151 с.

24. Матвеев Ю.М., Самарянов Ю.В., Губин А.И. Рациональная технология производства профильных труб на многоклетевом стане // Сталь, 1972. -№5. с.438-440.

25. Кириченко А. Н. Расчет калибровок валков для горячей прокатки труб треугольного и шестиугольного сечения // Металлургия икоксохимия, 1968.-№ 12.-е. 114-118. »

26. Рациональная калибровка валков многоклетьевых станов для производства труб прямоугольного сечения / А. И. Дорохов, П. В. Савкин, Н. М. Колповский и др. // Технический прогресс в трубном производстве. М.: Металлургия, 1965. —с. 186-195.

27. Токарев К. А. Калибровка валков для производства прямоугольных и овальных электросварных труб // Производство труб / Сб. ВНИТИ. Вып. 15.—М.: Металлургия, 1965. с. 47-50.

28. Производство профильных стальных труб // Metallhandwerk Techn.1977. В. 79. № 8. S. 483-484. »

29. Патент 1267303 Франция, кл. B21d. Способ и устройство для профилирования труб / Kurt Berger. Опубл. 1961.

30. Патентная заявка 51-30481 Япония, кл. 12С231.2 (В21Ь23/00). Способ изготовления бесшовных труб прямоугольного сечения / Нисида Синьити, Хигасияма Хироеси. Опубл. 1977.

31. Патент 48-121502 Япония, кл. В21Ь 17/02. Производство бесшовных труб квадратного сечения / Янагимото Сомон, Кавахарата Дзицу и др. -Опубл. 1980.

32. Розов Н.В. Производство труб. Справочник. М.:Металлургия, 1974. — 598 с.

33. Осадчий В.Я., Степанцов С.А. Особенности деформации при изготовлении профильных труб прямоугольного и переменного сечения // Сталь, 1970, №8, с. 112.

34. Дорохов А.И. Изменение периметра при волочении фасонных труб // Бюл.науч.-техн. информ. УкрНИТИ, 1959, №6, с.83-94.

35. Перлин И.Л, Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. 448 с.

36. Юхвец И.А. Волочильное производство. М.: Металлургиздат, 1965. — 375 с.

37. Орро П.И., Дорохов А.И. Изготовление труб сложных фасонных профилей // Бюллетень научно технической информации УкрНИПИ. -1959, №6-7.

38. Дорохов А.И. Осевые напряжения при волочении фасонных труб без оправки. Труды УкрНИТИ, Металлургиздат, 1959, №1.

39. Швейкин В.В., Славин В.Б. Усилия при проталкивании профильных труб // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1965. № 6. - с.89-96.

40. Колмогоров В.Л. Тяговое усилие при изготовлении профильных труб волочением// Технология производства черных металлов: Тр. Уральского науч. исслед. ин-та черных металлов. - Свердловск: Металлургиздат, 1963, т.2. - с. 161-172.

41. К расчету калибровки инструмента и тяговых усилий при волочении профилей, отличных от круглых// П.И.Полухин, Г.Я.Гун, В.П.Полухин и др.// Сб. тр. МИСиС, 1967. №42. - с. 16-21.

42. Смирнов—Аляев Г.А., Гун Г.Я. Основы теории непрерывной формовки в профилегибочных станах // Изв. Вузов. Черная металлургия, 1962. -№11.-с. 99-105.

43. Смирнов-Аляев Г.А., Гун Г.Я. К теории конечных пластических деформаций листового материала // Изв. Вузов. Черная металлургия, 1962.-№9. -с.150-153.

44. Рымов В.А., Полухин П.И., Потапов И.Н. Совершенствование производства сварных труб. М.: Металлургия, 1983. — 312 с.

45. Матвеев Ю.М., Халамез Е.М., Зелёный И.Н. Энергосиловые параметры непрерывных трубоформовочных станов. Челябинск: кн. изд-во, 1969. 108 с.

46. Смирнов—Аляев Г.А., Чикидовский В.П. Экспериментальные исследования в обработке металлов давлением. Л.Машиностроение, 1972.-360 с.

47. Малинин Н.И., Ширшов А.А. Исследование больших пластических деформаций при пластическом изгибе полосы с учетом упрочнения. //Изв. вузов. Машиностроение, 1965. — №2. — с. 165-172.

48. Малинин Н.И. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1968. 400 с.

49. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.:Машиностроение, 1977. -423 с.

50. Сафонов М.Ф., Щемшурова Н.Г., Антипанов В.Г. Профили высокой жесткости. Магнитогорск, 1996. — 80 с.

51. Богоявленский К.Н., Григорьев А.К. Об исходных предпосылках рациональной калибровки валков профилегибочных станов // Обработка металлов давлением. Сб. науч. тр., М.-Л.:Машгиз, 1963. -№22.-с. 140-147.

52. Колмогоров B.JI. Напряжения. Деформации. Разрушение. -М.:Металлургия, 1970. 229 с.

53. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1984.

54. Теория обработки металлов давлением: Вариационные методы расчета усилий и деформации/ И .Я. Тарновский, А.А.Поздеев, О.А.Ганаго и др.: Под ред. И.Я.Тарновского. М.:Металлургиздат, 1963.-672 с.

55. Качалов JI.M. Основы теории пластичности. — М.: Наука, 1969. — 420с.

56. Соколовский В.В. Теория пластичности — М.: Высшая школа, 1969. — 608 с.

57. Колмогоров В.Л., Орлов С.И., Колмогоров Г.Л. Гидродинамическая подача смазки. М.:Металлургия, 1975. 256 с.

58. Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.:Металлургия, 1967.

59. Богатов А.А., Смирнов С.В., Колмогоров В.Л. Изучение особенностей деформируемости металла при многооперационнойхолодной деформации с промежуточными отжигами// Изв. ВУЗов, Черная металлургия, 1979. № 12. -сЛЗ^б.

60. Смирнов С.В., Богатов А.А., Колмогоров B.JI. ФММ, 1980. - т.49, №2, - с.З 89-393.

61. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2003. 283 с.

62. Гун Г.Я. Математическое моделирование процессов обработки металлов давлением. М.:Металлургия, 1983. — 352 с.

63. Колмогоров B.JI. Механика обработки металлов давлением. М.:

64. Металлургия, 1986. — 686 с. »

65. Секулович М. Метод конечных элементов / Пер. с серб. Ю.Н.Зуева М.:Стройиздат, 1993. 664 с.

66. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ., М.:Мир, 1984.-428 с.

67. Gadala M.S., Wang J. Simulation of Metal Forming Processes with Finite Element Methods/ International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1999, vol.44,-pp.1397-1428.

68. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ., М.:Мир, 1981.-304 с.

69. McMeeking R.M., Rice J.R. Finite Element Formulations for Problems of Large Elastic-Plastic Deformation/ International Journal of Solids and Structures, 1975, vol. 121, pp.601-616.

70. Bonet J., Wood R.D. Nonlinear Continuum Mechanics for Finite Element Analysis, Cambridge University Press, 1997.

71. Оден Дж. конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: Пер. с англ., М.:Мир, 1976, 463 с.

72. Карамышев А.П., Некрасов И.И., Паршин С.В. Математическое моделирование процессов упругого нагружения методом конечных элементов: Учебное пособие. Екатеринбург:УГТУ-УПИ, 2002. 98 с.

73. Lashkari M. COSMOS User Guide. Stress, Vibration, Buckling,

74. Dynamics, Fluid, Electromagnetic and Heat Transfer Analysis. (Release

75. Version 1.6), 1990.-184 p. t

76. White J.L., Todd E.S. Normal Modes Vibration Analysis of the JT98/747 Propulsion System. Journal of Aircraft, 1978. v.l 5. - №J.

77. Городецкий C.A., Завороцкий В.И., Лантух-Лященко А.И., Рассказов А.О. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений. М.:Транспорт, 1981. 143 с.

78. Altan Т., Oh S. CAD/CAM of Tooling and Process for plastic working// Advanced Technology of Plasticity, v.l. Tokyo, Japan, 1984. p.531-544.

79. Басов K.A. ANSYS в примерах и задачах/ под общ.ред.

80. Д.Г.Красковского. М.: Компьютер Пресс, 2002. 224 с. »

81. Комратов Ю.С., Лехов О.С. Совершенствование производства проката в условиях НТМК. Екатеринбург: Изд-во «Банк культурной информации», 2002. 384 с.

82. Харитонов В.В., Смирнов С.В., Вычужанин Д.И., МКЭ расчет изменения толщины стенки трубы при безоправочном волочении. В сб. «Достижения в теории и практике трубного производства», Екатеринбург, 2004. - с. 135-139.

83. Восканьянц А.А., Иванов А.В., Панов Е.И. Исследования процесса холодной поперечно — винтовой прокатки на трехмерной конечно-элементной модели. В сб. «Непрерывные процессы обработки давлением». М.:МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2004.

84. Расчетные работы и инженерный консалтинг. Проспект фирмы «CADFEM». Сб. Расчеты. 2002. №4.

85. Готлиб Б.М., Добычин И.А., Готлиб М.Б. Автоматизированные кузнечно—прессовые комплексы, (опыт создания и эксплуатации). Екатеринбург: Изд. УрГУПС, 1998. 647 с.

86. Дмитриев A.M., Воронцов A.M. Об использовании метода конечных элементов. В сб. «Непрерывные процессы обработки давлением». М.:МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004.

87. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением./Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П. и др. М.:4

88. Металлургия, 1976. — 416 с.

89. Грудев А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В.Т. Трение и смазка при обработке металлов давлением. М.:Металлургия, 1982. 312 с.

90. Пластичность и разрушение/ под ред. В.Л.Колмогорова. М.:Металлургия, 1977. 336 с.

91. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1972. —215 с.8 7. Математическая статистика/В.Н.Иванова, В.Н.Калинина, Л.А.

92. Нешумова и др. М.: Высшая школа, 1981. 371 с. »

93. Смирнов Н.В. Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятностей и математической статистики. М.:Наука, 1965 -512 с.

94. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов, т.1. Деформация и разрушение. М.:Машиностроение, 1974. -472 с.

95. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М. Машиностроение, 1971. 200 с.

96. Липкин Я.Н., Штанько В.М. Химическая и электрохимическая обработка стальных труб. М.:Металлургия, 1982. — 256 с.

97. Современное состояние мирового производства труб / Крупман Ю.Г., Ляховецкий Л.С., Семенов О.А. и др. М.:Металлургия, 1992. 353 с.

98. Паршин С.В., Семенова Н.В. Поточная линия для производства профильных труб. Евро-азиатская промышленная выставка. Екатеринбург, 2005.