автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Погрешность центрирования при базировании и закреплении тонкостенных трубных заготовок с наследственными погрешностями формы

На нрииах рукописи

Нгуен Хыу Луен

ПОГРЕШНОСТЬ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРИ БАЗИРОВАНИИ И ЗАКРЕПЛЕНИИ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК С НАСЛЕДСТВЕННЫМИ ПОГРЕШНОСТЯМИ ФОРМЫ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гула -2006

Рибош иы иол мат на кафедре технологии машиностроения Тульского государственного университета

Научный руковолитель:

доктор технических наук, профессор Ямников Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Трушин Николай Николаевич кандидат технических наук

Моисеев Евгений Федорович

Ведущее предприятие: ОАО «АК» Туламашзавоя.

Защита состоится «25» декабря 2006г. на заседании диссертационного совета Д 212.271.0! при ГОУ ВПО, «Тульский государствениый уиинсрситст» по адресу: 300600. г. Тула, пр.*Ленина. 92 (9-10!).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «24» ноября 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с наследственностью погрешностей формы в технологических процессах н обеспечением качества тонкостенных трубных деталей путем уменьшения погрешности центрирования.

Актуальность работы.

Современный этап развития техники требует точного изготовления тонкостенных труб. Особенно это важно, в ответственных областях: нефтедобывающей, самолето- и ракетостроении, криогенной технике и холодильных установках, космических и военно — промышелнных разработках.

Одновременно с увеличением количества тонкостенных труб повышаются и технические требования к точности размеров поверхностей, формы и их взаимого расположения.

Для таких деталей важны все этапы изготовления, и законы технологической наследственности играют важную роль при разработке технологического процесса. Вопросом технологической наследственности занимались A.M. Дальский, A.C. Васильев, А,Г. Суслов, A.C. Ямииков, В.В. Семин и другие ученые.

Наследственные связи как повышают, так и понижают показатели качества, поэтому важно на каждом этапе изготовления тонкостенных труб учитывать влияние их наследственности на характеристики детали.

Исходная овальность, кривизна оси заготовки и силы закрепления при любом технологическом воздействии влияют на деформации заготовки и вызывают погрешности центрирования перед механической обработкой, сборкой или контролем. Для тонкостенных трубных деталей эти погрешности в ряде случаев превышают допуск и могут вывести деталь из разряда прецизионных.

По эти м причинам изыскание технологической наследственности погрешностей формы и всемерное совершенствование путей, а также разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность выходных параметров тонкостенных трубных деталей и снижающих трудоемкость их изготовления, является важной, актуальной технической и экономической задачей, стоящей перед наукой и произволен вом, и представляет собой первоочередной этап повышения технического уровня производства подобных деталей.

Автор выражает благодарность к.т.и,, доценту кафедры « Технология .1 шм шюстрое ни» и Киселеву H.H. м консультации при родите чао диссертацией.

Цель работы.

Обосновать и разработать приемы существенного уменьшения погрешности центрирования тонкостенных трубных заготовок при базировании и закреплении, вызываемые их погрешностями формы (овальности и кривизны оси).

Задачи исследования.

1. Исследовать возникающие погрешности формы {овальность и кривизну осп) в производстве тонкостенных трубных заготовок.

2. Найти закономерности процесса переноса овальности и кривизны на погрешность центрирования на стадии базирования тонкостенных трубных заготовок в универсальных приспособлениях,

3. Найти закономерности процесса переноса овальности и кривизны на погрешность центрирования на стадии закрепления тонкостенных трубных заготовок в универсальных приспособлениях.

4. Обосновать способ и предложить конструкции приспособлений, которые имеют возможность компенсировать исходные погрешности формы и уменьшить погрешность центрирования тонкостенных трубных заготовок.

Методы исследования,

В работе использовались теоретические методы и методы моделирования технологических процессов. Теоретические задачи решались с применением научных основ технологии машиностроения, теории цилиндрических оболочек с помощью метода конечных элементов. Моделирование технологических процессов основано на использовании программы 8оМ<№'огк-С05;М05. Расчеты и обработка данных проводились при помощи программы МАТ1.АВ.

На чашпту выносятся

1. Результаты расчета возникающих погрешностей формы (овальности и кривизны оси) в производстве тонкостенных трубных заготовок.

2. Закономерности процесса переноса овальности и кринизны на погрешность центрирования на стадиях базирования и закрепления тонкостенных груиных заготовок в универсальных приспособлениях.

3. Способ установки и конструкции приспособлений, которые имеют возможность компенсировать исходные погрешности формы и уменьшать погрешность центрировании тонкостенных т рубных заготовок.

Научная новщна.

Впервые прелегаплепа научно-обоснованная модель образования погрешностей центрирования при базировании и закреплении тонкостенных трубных за» о гонок с наследственными пофсшпостямл формы о виде

овальности в поперечном сеченин н кривизны оси о продольном сечении, и <■ том числе установлена связь между овальностью и погрешностью центрирования при базировании овальных трубных заготовок в патронах и создана программа расчета на п ря же нно-де фор миро ванного состояния овальных тонкостенных труб под действием сосредоточенных сил.

Практическая не н и ость.

Практической ценностью работы являются:

1. Возможность уменьшать погрешность центрирования при базировании и закреплении тонкостенных трубных заготовок в приспособлениях с равномерно распределенными силами.

2. Возможность оценки погрешности центрирования при базировании тонкостенных труб с погрешностями формы в патронах с любым количеством кулачков.

3. Возможность оценки погрешности центрирования при закреплении тонкостенных труб с погрешностями формы в патронах с любым количеством кулачков.

Реализация результатов работы.

Результаты работы используются в диплом ном проектировании по специальности «технология машиностроения» ТулГУ,

Апробация па боты.

Результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ в 2004 - 2006 г. и на международной научно-технической электронной интернет-конференции «Технология машиностроения 2006» г. Тула, ТулГУ.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 4 работы объемом 1,5 печ. листа, с долевым участием автора 1,15 печ. листа, 2 из них размешены в рецензируемых изданиях «Известия ТулГУ», включенных в перечет. ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, обших выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 167 страниц текста, включая 12 таблиц, 74 рисунков, список литературы из 46 наименований, а также приложения па 12 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЮ РАБОТЫ

Но впедсиии отмечается актуальность задачи влияния

наследственности погрешностей формы тонкостенных трубных заготовок на погрешность центрирования при базировании и закреплении. Изложены методические основы диссертационной работы. Даны общие характеристики результатов исследования и их практическая ценность. Представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу некоторых способов изготовления труб и появления у них погрешности по размерам и форме, особенно появления овальности и кривизны оси у тонкостенных труб.

Стальные трубы производят из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей более чем 350 марок. Основные виды стальных труб можно разделить по способу их изготовления на две основные группы: бесшовные и сварные. При обработке резанием применяют бесшовные трубные заготовки, поэтому в работе нас интересуют некоторые способы прокатки (горячей и холодной) и волочение труб.

Способом горячей прокатки получаю бесшовные трубы диаметром 42550 мм со стснкоГг толщиной 3,0-75 мм, а способом холодной прокатки -бесшовные трубы диаметром 1,0-250 мм со стенкой толщиной 0,1-24 мм. Точность труб обусловливается прежде всего способом их изготовления. Из всех способов производства горячекатаных труб наиболее высокую точность обеспечивает прокатка на установке с трехвалковым раскатным станом, В лом случае предельные отклонения от номинального размера Fie превышают но наружному диаметру ±5%, а по стенке ±6%; однако иногда может достигаться и более высокая точность по толщине стенки.

Волочение является одним из основных способов производства труб диаметром от 0,1 до -480 мм и тол шиной стенки от 0,01 до 40 мм различного профиля, точной геометрической формы и высокой чистотой поверхности. Процесс волочеиия применяют для уменьшения поперечного сечения трубы до определенных (заданных) размером путем уменьшения диаметра и чолижны стенки, а также приданию трубе определенных свойств. Иногда волочение применяют для увеличения диаметра трубы, так называемой раздачи трубы.

Качество ¡руб - точность их размеров, качество наружной и внутренней поверхности, механические свойства материала - регламентируется стандартами или техническими условиями. Трубы некоторых видов характеризуются догиипителмшми показателями, обеспечивающими специфические условия эксплуатации - коррозионную стойкость нержавеющих сталей, микроструктуру котельных или подшипниковых труб п т.д. Из всех показателей точности размеров и формы самыми важными являются;

1. Овальность. Установлено, что овальность готовой трубы не зависит от ее овальности до правки, а средний диаметр труб почти целиком определяется размерами калибра, образуемого валками. Псе факторы, влияющие на колебания размеров калибра, следует причислить к причинам, вызывающим колебания диаметра по длине трубы и средних диаметров труб в партии, К этим факторам необходимо отнести: неравномерность нагрева по длине и сечению труб, биение валков, жесткость узлов и элементов рабочих систем станов. Если температура прокатки в редукционно-калибровочном стане оказывается по каким-либо причинам выше или ниже тон, для которой настраивались калибры, то в первом случае диаметр может оказаться ниже допустимого, а во втором - выше.

2. Разностей ностъ. К составляют им разностей ноет труб относят поперечную и продольную разностенностъ. Продольная разностенностъ труб обусловлена различием температуры по длине гильзы, передний конец которой остывает более интенсивно, чем задний. При последующей раскатке переднего, более холодного конца возникает упругая деформация узлов стана, н, как следствие, возрастает толщина стенки. Продольная разностенностъ может достигать 0,4...О,б мм и зависит от длины трубы.

Согласно классификации труб, большое распространение получают тонкостенные трубы, которые имеют отношение наружного диаметра к толщине стенки 0//>2О. Тонкостенные трубы позволяют рационально выбрать размеры и расположение поверхностей для обеспечения высокой жесткости при наименьшей массе. Что касается овальности и кривизны оси тонкостенных труб, возникающих при их изготовлении, то в работе, доказано их образование в любом случае на стадии калибровки.

Анализ образования овальности тонкостенных труб при изготовлении основан на решении задачи напряженно-деформированного состояния под действием равнорасположенных сил (рис. 1). На основании расчетов установлено, что основными силовыми факторами являются изгибающий знакопеременный момент и тангенциальная ежнмаюшая сила

где 0~ приложенная сила; К0 - номинальный радиус трубы; А'Д). А'* -коэффициенты, которые определяются выражениями:

л А/ = п{\2ж\'— ■ , А л. ; , (I)

251П (лул) 2$ит(т/м)

где п - количество приложенных сил; <р — текущий угол.

Силовые факторы, в свою очередь, вызывают деформацию по периметру сечсння трубы и, следовательно, разные радиальные перемещения, которые образуют овальность грубы по выражениям;

.. _2Q¡4 0 ~~ЁГ

QR0 t ,

Рис. 1. Схема расчета деформации тонкостенных труб при калибровке.

I ( 1 V

н/л- + —z- jr¡2n - /t/íícosít/h - sin л/п н—sin 2л-/«

sin njn \ 4 /

' —- л /« eos >t//í — sin jrjn + —sin 2,т//» j 1

^ ¿7 ' sin2 ж/

/Л

^Tüi'

где i'.,, абсолютная овальность пру бы, т.е. /-V соответственно максимальный и минимальный диаметры поперечного сечения овальной трубы; е{) - относительная овальность, - ; EI -

жесткость нри изгибе продольного сечсния трубы в зоне действия сил.

Анализ образования кривн.пн>1 оси труб при изготовлении основан на решении геометрической задачи, в коюрой установлен механизм влияния разностейппстн на кривизну оси Используя аналогичные рассуждения, можно получить выражения для кривизны оси:

е К

1--

2 !i{)

(3)

4(2К() +/)[ {с0/2+ 1)(2Д„

где / - длина трубы; / - толшина стенки трубы. Т аким образом, исследования, провеленные в главе I, установили: - соомюшение между опалыюсп>ю <-'» и количеством приложенных сил п при калибровке, Г)рн увеличении и овал1.ность е„ б метро уменьшается. Кроме пою, при калибровке овальность готовой трубы зависит прямо

пропорционально от зажимной силы и квадратично от поминального '. -диаметра заготовки;

- соотношение между кривизной оси с* и разностей иостью г;». Ра споете пн ость, если она расположена по одной стороне исходной трубной заготовки, вызывает достаточно большую кривизну.

Вторая глава посвяшена определению влияния овальности и кривизны оси тонкостенных трубных заготовок на погрешность центрирования при базировании.

Для того, чтобы определить влияние овальности трубы на погрешности центрирования при базировании была рассмотрена схема базирования трубы эллипсовидного поперечного сечения в патронах с разным количеством кулачков. Овальность (относительная овальность) трубы считается по формуле: еа= \~dfD, где (/и О - номинальные маленький и большой диаметры поперечного сечения соответствено (рис. 2).

Погрешность центрирования (Д£?{1 ()) считается расстоянием О-^Оц — между центрами эллиптического сечения (О^) и патрона (Оп). При базировании эллиптическое сечение (эллипс) считается локализованным когда, к нему приложены как минимум, три точки контакта (кулачка или ролика). Расчет погрешности центрирования приводил к задаче определения

вектора = ОиОэ по положению эллипса (углу большего диаметра #>) и

Рис. 2. Схема установки эллиптической трубы в патронах.

положениям приложенных почек (кулачков или роликов). Залача решена методом перехода систем координат от трубы к патрону и заирофаммнрована при помощи программы МА'ГЬАН.

При решении задачи доказано, что существуют углы (положения) и <рН1, определенные в зависимости от количества базирующих элементов приспособления к^, при базировании трубы под которыми получатся соответственно максимальное и минимальное значения погрешности центрирования (Д0 )Л/ и (Дсб „ ),„. Этот вывод позволяет выбрать

целесообразное положение установки трубы, соответствующее меньшему влиянию овальности на погрешность центрирования.

На основании расчета по программе установлено, что при малых овальностях (ец<(М) максимальное и минимальное значения погрешности центрирования (Дй*й„)д» н (Д^,, )„, прямо пропорционально зависят от

величины ец1К а также от количества базирующих элементов. Этот вывод позволяет выбрать целесообразное количество базирующих элементов в приспособлении, способствующее уменьшению влияния овальности на нофешностъ центрирования,

При базировании трубы кривизна оси еу приводит к смешению центра поперечного сечения трубы относительно центра приспособления иа расстояние Л^ГЙК, которое назовем погрешностью центрирования,

обусловленной кривизной осн. Механизм образования ДгГ(5(. зависит не

только от кривизны оси с,-, конструктивных параметров приспособления, но и от методов базирования. При установке труб на металлорежущих стайках часто применяют универсальные станочные приспособления (патроны и вращающиеся центры) по 4-м типовым схемам: с одним патроном (консольная установка для «коротких» труб); с двумя патронами (в двух плоскостях); с патроном и центром; с патроном и обратным центром.

Для схемы установки труб в двух патронах (рис. 3) доказано, что погрешность центрирования Дггй К может достигать наибольшего значения только в торнах (А и В) и сечении (С), находящемся в середине между двумя патронами. Обозначим = /¡/Л ; /ь - ¡2! /'о = - (очевидно, что «/ -1 - /и, ■ I), где /,. /и - расстояния от пачроион до ближайших горцов и между собой; /. - длина трубы. Из-за того, что ось трубы может

считаться дугой с очень большим радиусом Л, и, следовательно, из некоторых преобразований следует Дс6 к (Л /</)<•>■;

Л.<;() к (Вк (Л)= /¡I сл.-. Поэтому наилучшее положение башроиания трубы соответствует тому, когда максимальная из величин

Рис. Схема установки трубы с кривизной оси в двух плоскостях.

Л£Г(Э|С(А), Д£"Й(ДВ), &€6к(С) достигает минимума. Это происходит когда &СЙК(А)= А£б к (В)= АВд к (С)-ск-/2 и /,=/>=0,1464/.. Для других схем, аналогично рассмотренной выше также вычислены погрешности центрирования Дк в поперечных сечениях и найдены наилучшие

(целесообразные) положения трубы в приспособлениях, соответствующие уменьшению влияния кривизны оси на погрешность центрирования.

Третья глава посвящена определению влияния овальности и кривизны оси тонкостенных трубных заготовок на погреииюсть центрирования при закреплении. Стадия закрепления характеризуется величиной деформации трубы под действием приложенных сил зажимного устройства. Под действием контактных сил, поперечное сечение трубы деформируется и его первоначальный вид превращается в сложную фигуру, вместо которой введен «условный эллине». Центр условного эллипса считаем условным центром сечения деформированной : трубы. 13 этом случае погрешность центрирования на стадии закрепления считается отклонением условного центра поперечных сечений трубы от ротационной оси приспособления. Определение погрешности центрирования при закреплении тонкостенных трубных заготовок основано на решении задачи напряженно-леформнрованиою состояния тонкостенных труб с овальностью в поперечном сечении и кривизной оси в продольном сечении.

I I

Рис. 4. Схемы действия зажимных сил и деформации трубы при закреплении.

Для того, чтобы определить влияние овальности на погрешность центрирования (Дгг1й) было рассмотрено деформирование тонкостенных эллиптических колец под действием зажимных сил. В схеме на рис. 4 представлен эскиз пары равных и противоположных сил Q по оси (В-В) под углом <рк относительно большей оси эллиптического кольца (А-А). Как замкнутая система, кольцо трижды статически неопределимо. Однако использование симметрии при выборе основной системы существенно упрощает решение. Тогда изгибающий момент на осе кольцо считается = при 0<<р«рн\ (4)

Мц{<р) = QR[a в + r^smiffi- {рв)\?!2 при <рн <(р< я . (5)

где с = 1-е0; гф = l/л/sin2 <р + с1 cos2 <р - безразмерный радиус под

1ч>* г 1 А

jVjsin(y>-</>is)d<p- —(Sg)ij<p j jr^d<p. (6)

(j (% )/ 0 Используя уравнение Мора получится перемещение сечения вдоль оси (С-С1, вызванное парой сил по оси (В-В):

+ - iplt )\ar + '^smiip-tp^ ^yM, при <0, О

где коэффициент а(- вычисляется по формуле (б), при замене индекса В индексом С. В случае же, если щ-'щ в формуле (7) поменяем индексы 13 и С друг с другом, то получаем соответствующий интеграл. Интегралы (6) и (7) определены с помощью функции еШр(!сЕ и е11ф(1СР, Из этого следует диаметр сечения по оси (С-С) а овальность условного эллипса и

погрешность центрирования могут быть определены при помощи программы МЛТЬАВ. На основании изложенного выше расчет можно расширить для схем закрепления колеи с любым количеством зажимных сил. Однако в этом случае количество расчетов будет очень огромным, поэтому дальше используем метод конечных элементов в программе 5о1к1\Уогк-С05М05. Например, на рис. 5 представлено изменение погрешности центрирования между стадиями базирования и закрепления 6чо — — Лг^„)/„

торцов А. В при установке и закреплении овальной трубы длиной 50мм, толщиной 2мм, с наибольшим диаметром 200мм: параметры материала трубы Е~2.105 Н/мм 2, V =0,3 в зажимном устройстве с тремя роликами длиной 10мм и суммарной зажимной силой 1кН.

( Г;iiu* 'V С'Of . ■:.» Q'p ¡>: 1 ■ t

Рис, 5. Влияние овальности на прирашение погрешности неитрирования.

Для определения влияния кривизны оси па погрешность центрирования при закреплении (Лс^ ), на основании исследования в главе 2, приведены 4 схемы установок, в каждой из которых трубы закрепляются после их выставки но целесообразным положениям. Моделирование н вычисления основаны на использовании программы SolidYVoik-COSMOS, их результаты представлены в работе на графиках и в таблицах. Результаты этой части

П

исследования позволяют установить, что погрешность центрирования на стадии закрепления зависит обратно пропорционально от длины трубы и прямо пропорционально от кривизны оси. При этом выявлен уровень влияния количества зажимных элементов на условную овальность и погрешность центрирования для каждой схемы установки. Доказано, что схема установки в двух плоскостях закрепления дает погрешность меньше всех остальных, поэтому она была выбрана для дальнейшего анализа области применения.

Четвертая глава посвяшена описанию способа и конструкции оснастки для установки тонкостенных трубных заготовок. На основании результатов, полученных в главах 2 и 3, рациональный выбор количества центрирующих элементов и оптимальное положение заготовки в приспособлении помогают уменьшить влияние исходной овальности на погрешность центрирования. Целесообразно использовать принцип разделения базирования и закрепления, показанный на рис, 6.

Рис, 6. Схема установки трубы в приспособлении: 1 - центрнруюшие элементы.

2- зажимные элементы.

Реализуют эту схему специальные приспособления, конструкции которых включают центрирующие элементы, расположенные по окружностям на определенных расстояниях.

Следует силы зажима равномерно распределять по поверхности заготовки, а центрировать заготовку целесообразно в двух сечениях по длине ■грубы, причем сил на центрирующих элементах должно быть достаточно для «вывешивания» и фиксации трубы в требуемом положении.

Затем достаточно большое количество зажимных элементов должны закрепить трубу в зафиксированном положении с минимальной деформацией в местах крепления. Оптимальным с теоретической стороны способом

крашения могло быть соединение заготовки с приспособлением путем заливки зазора каким-то сам отвердеют им материалом. Практически же целесообразно использовать максимально возможное количество зажимных элементов, как это показано на рис. 6.

1. Шариковое приспособление (рис. 7) применяется для установки трубы но внутренней поверхности и состоит из двух патронов н роликов, расположенных по окружностям. При этом патроны играют роль базирующего механизма и влияют на образование погрешностей центрирования, а шарики закрепляют и помогают усилить жесткость трубы при изгибе и уменьшить влияние кривизны оси на погрешность центрирования Дс- к . Согласно выводам в главах 2 и 3 используя патроны с 9-ю кулачками по расстояниям /(- Л=0,14б4£ до торцов, с установкой трубы под углом фт=я/18 можно получить сред не вероятную погрешность

центрирования ( Де- „ ^0,1724 т.е. па 65,70% меньше, чем в случае

использования приспособления с трехкулачковым патроном, и уменьшить до 50% влияния исходной кривизны оси па пофешность центрирования Дбт>.

2. Плунжерное приспособление (рис. 8) применяется для установки трубы по наружной поверхности или ступенчатых труб и состоит из двух патронов и подпружиненных опор-зажимов, расположенных по окружностям. При этом патроны играют роль базирующего механизма и влияют на образование пофешностей центрирования, а подпружиненные опор-зажимы служат для закрепления трубы и помогают усилить ее жесткость при изгибе и уменьшить влияние кривизны оси на погрешность центрирования к. Использование плунжерного приспособления по критериям, указанным в главах 2 и 3, позволяет уменьшить до 84% влияния исходной кривизны оси на погрешность центрирования.

I

\

Рис, 7. Шариковое приспособление

Рис. 8. Плунжерное приспособление

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. При изготовлении тонкостенных труб неравномерность нагрева по поперечному сечению является причиной образования овальности в поперечном сечении и кривизны оси трубы в продольном сечении. Кроме этого, установлены зависимость овальности от количества зажимных элементов, сил сжатия и диаметров трубных заготовок, и зависимость кривизны оси от исходной разностейиости трубных заготовок в процессе калибровки.

2. При базировании тонкостенных труб овальность поперечного сечения влияет на погрешность центрирования. Доказано, что существуют положения (установки), соответствующие максимальному и минимальному значениям погрешности центрирования. Разработаны методика и программа определения зависимости погрешности центрирования от овальности и количества базирующих элементов.

3. При базировании тонкостенных труб кривизна оси продольного сечения влияет на погрешность центрирования. Для некоторых схем установок установлено выражение погрешности центрирования в зависимости от кривизны оси и показано целесообразное положение труб в приспособлениях, соответствующее наименьшей погрешности центрирования.

4. При закреплении тонкостенных труб кроме овальности и кривизны оси, деформация трубы под действием зажимных сил также влияет на погрешность центрирования. Разработаны методика и программа определения зависимости погрешности центрирования от овальности, зажимных сил и других параметров. Представлена модель процесса закрепления тонкостепных труб для различных схем установок, основанная на применении программы 5о||<3\\'огк-С05М05, и вычислены погрешности центрирования при закреплении тонкостенных труб с различными овальностью и кривизной оси. Доказано, что схема установки в двух плоскостях закрепления дает погрешность меньше всех остальных, поэтому она выбрана для дальнейшего анализа области применения.

5. Показан способ установки тонкостенных труб на токарных станках, при котором функции центрирующих и зажимных элементов разделены. Представлены конструкции некоторых приспособлений, которые позволяют реализовать данный способ и уменьшить влияние овальности и кривизны оси на погрешность центрирования и усилить жесткость тонкостенных труб при изгибе.

OcHiHsm.te положения диссертации отражены it pußotax:

Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК

1. Ямников A.C., Киселев В.П., Нгуен Хыу Луен. Анализ способов установки нежестких заготовок с существенными отклонениями от цилиндричности. Известия ТулГУ. Серия «Технология машиностроения», вып. 2. - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 18-22.

2. Ямников A.C., Киселев В.Н., Нгуен Хыу Луен, Погрешность центрирования трубной заготовки с овальностью. Известия ТулГУ. Серия «Машиноведение, системы приводов и детали машин», спец. выпуск, труды международной НТК «Творческое наследие профессора В.Ф. Прейса». -Тула: ТулГУ, 2006. - С. 224-230.

Публикации в прочих изданиях !

3. Нгуен Хыу Луен, Анализ погрешности центрирования тонкостенных трубных заготовок с наследственной овальностью. Сборник статей «Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета». -Тула: мзд-во ТулГУ, 2006. -С, 212-220.

4. Происхождение отклонения от круглости тонкостенной трубы, нагруженной на определенной длине / Ямников A.C., Киселев В.Н., Нгуен Хыу Луен // Международная научно-техническая электронная интернет-конференция «Технология машиностроения Труды электронных интернет-конференций по технологии машиностроения/ Тульский гос. ун-т. - Электр.

жури. — Тула: ТулГУ, 2006_. - Режим доступа: iitlp://w\vw.nauka.t»la,rci.

свободный. - Загл. с экрана. —N гос. регистрации 0220409933,

j

Изд. лиц, ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать Формат бумаги 60хК4 1/16. Бумага офсетная. Усл-печ.л. Уч. -изд. л.

Тира* 400 -»кз. Заказ

Тульский государственный университет. 300(100. г. Тула, пр. Ленина, 92.

Отпечатано н редаккиопио-шдашлыким центре Тульского государстнсншио унивсрси к-та, 3(КХ>(Ю. г, Tv.ni. ул. 1н>. |дпиа. 151.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК И ОЦЕНКА ИХ ДОМИНИРУЮЩИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ФОРМЫ.

1.1. Некоторые способы изготовления труб

1.1.1. Прокатка труб

1.1.2. Волочение

1.2. Качество труб и возникновение овальности в поперечной сечении, кривизны оси в продольном сечении на стадии калибровки

1.2.1. Кач ество труб

1.2.2. Происхождение овальности тонкостенной трубы на стадии калибровки

1.2.3. Возникновение кривизны вдоль оси трубы в продольном сечении при калибровке

1.3. Выводы 39 АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК С НАСЛЕДСТВЕННЫМИ ПОГРЕШНОСТЯМИ ФОРМЫ НА СТАДИИ ИХ БАЗИРОВАНИЯ

2.1. Понятия погрешностей

2.2. Погрешность центрирования, обусловленная овальностью заготовки АЕ()Х}

2.2.1. Механизм переноса овальности на погрешность

2.2.2. Критерии уменьшения погрешностей А£(-ко

ГЛАВА 2.

ГЛАВА 3.

2.2.3. Выводы

2.3. Погрешность центрирования, обусловленная кривизной оси заготовки

2.3.1. Схемы установки трубных заготовок

2.3.2. Схемы установки и базирования в двух плоскостях

2.3.3. Схемы установки с использованием одной базирующей плоскости и жесткого обратного центра

2.3.4. Схемы установки с использованием одной базирующей плоскости и жесткого центра

2.3.5. Схемы установки и базирования консольной заготовки с использованием одной базирующей плоскости

2.3.6. Овальность, появляющаяся в закрепляемом сечении как функция осевой кривизны. Вторичная погрешность центрирования

Современный этап развития техники требует точного изготовления тонкостенных труб. В настоящее время значительно увеличилось их количество в изделиях. Тонкостенные трубы как и оболочковые конструкции, обеспечивая высокую прочность и плотность компоновки, находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности и, что особенно важно, в ответственных областях: нефтедобывающей, самолето- и ракетостроении, криогенной технике и холодильных установках, космических и военно -промышелнных разработках.

Одновременно с увеличением количества тонкостенных труб повышаются и технические требования к точности размеров поверхностей, формы и их взаимого расположения. В прецизионном машиностроении эти требования достигают порядка микрометров и долей микрометра. Тем не менее, при обработке тонкостенных труб всегда существуют погрешности формы в виде овальности и кривизны оси исходной заготовки, которые наряду с низкой жесткостью представляют собой причины трудностей, мешающих выполнению заданных технических требований.

Для таких деталей важны все этапы изготовления, и законы технологической наследственности играют важную роль при разработке технологического процесса. Вопросом технологической наследственности занимались A.M. Дальский [11,12,14], A.C. Васильев [12], А.Г. Суслов [33], A.C. Ямников [42], В.В. Семин [42] и другие ученые.

Наследственные связи как повышают, так и понижают показатели качества, поэтому важно на каждом этапе изготовления тонкостенных труб учитывать влияние их наследственности на характеристики детали. Явление технологической наследственности позволяет формировать оптимальные технологические среды и изменять свойства предмета производства в желаемом направлении, в том числе, и жизненный цикл. Некоторыми из важнейших факторов, влияющих на качество трубных деталей, являются исходные погрешности (овальность и кривизна оси) и сила закрепления заготовки в технологическом приспособлении. Значимость этих факторов для качества детали отмечалась еще в работах основоположников технологии машиностроения В.М. Кована [22], А.Б. Яхина [43,44], B.C. Корсакова [22].

Основное противоречие между процессами обработки тонкостенных трубных заготовок и качеством детали состоит в том, что базирование и закрепление происходят в условиях существования овальности, кривизны оси и низкой жесткости заготовки.

Исходная овальность, кривизна оси заготовки и силы закрепления при любом технологическом воздействии влияют на деформацию заготовки и вызывают погрешность центрирования перед механической обработкой, сборкой или контролем. Для тонкостенных трубных деталей эти погрешности в ряде случаев превышают допуск и могут вывести деталь из разряда прецизионных.

Кроме этого, погрешности формы у труб еще оказывают влияние на следующие технологические процессы. Так, например, на одном из трубопроизводственных предприятий Вьетнама в среднем около 15-И 7% сборок тонкостенных труб не удовлетрворяют требованию чертежа но радиальному биению, несмотря на то, что все детали проходят контроль ОТК. Такие сборки перебирают и подвергают ручному подбору с использованием большого количества слесарей-сборщиков высокой квалификации. Это увеличивает трудоемкость и снижает производительность сборки. Применяемые технологические процессы и оснастка не обеспечивают гарантированного обеспечения точности механической обработки при получении деталей из холоднотянутых, прогрессивных по форме заготовок, но имеющих погрешности формы и взаимного положения поверхностей в пределах 15-16 степени точности. На другом предприятии до 6% сборок не выдерживают заданного избыточного давления при гидроиспытаниях, а у 10% сборок односторонний зазор в стыке деталей больше допустимого.

По этим причинам изыскание технологической наследственности погрешностей формы и всемерное совершенствование путей, а также разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность выходных параметров тонкостенных трубных деталей и снижающих трудоемкость их изготовления, является важной, актуальной технической и экономической задачей, стоящей перед наукой и производством, и представляет собой первоочередной этап повышения технического уровня производства подобных деталей.

Часть решения этой проблемы сводится к исследованиям влияния технологической наследственности погрешностей формы (овальности и кривизны оси) при базировании и закреплении тонкостенных трубных заготовок на точность их центрирования и установлению технологической оснастки, обеспечивающей погрешности закрепления подобных деталей в заданных пределах.

Этому и посвящена данная диссертационная работа.

В диссертации исследованы вопросы образования погрешностей формы у тонкостенных трубных заготовок. Установлено, что в процессе калибровки под действием нажимных сил роликов присутствующее радиальное биение является причиной овальности в поперечных сечениях, а разностенность -причиной кривизны оси трубной детали.

Овальность и кривизна оси, в свою очередь, вызывают погрешности центрирования на стадиях базирования и закрепления при обработке тонкостенных трубных заготовок.

В диссертационной работе рассмотрено образование погрешности центрирования, обусловленной овальностью и кривизной, при базировании в приспособлении с разным количеством зажимных элементов. Математическая обработка на ЭВМ результатов, взятых из моделирования процессов базирования с помощью программы МАТЪАВ, позволила установить закон наследования исходных овальности и кривизны оси на погрешность центрирования детали.

На стадии закрепления появляется фактор сил закрепления, которые вызывают деформацию поверхностей закрепления и сильно влияют на погрешность центрирования обрабатываемой детали.

С применением теории деформации цилиндрических оболочек смоделированы схемы закрепления тонкостенных трубных заготовок в приспособлении с разным количеством закрепляющих элементов. По таким моделям вычислено и запрограммировано программой БоПсНУогкСОБМОЗ напряженно-деформированное состояние заготовки, из которого следует закон влияния факторов - исходных погрешностей (овальности и кривизны оси) и условия закрепления (количества закрепляющих элементов и сил) - на погрешность центрирования обрабатываемой детали.

В диссертации представлены некоторые приспособления, позволяющие уменьшить степень технологического наследования и обеспечить заданную точность изготовления тонкостенных трубных деталей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации впервые представлена научно-обоснованная модель образования погрешностей центрирования при базировании и закреплении тонкостенных трубных заготовок с наследственными погрешностями формы в виде овальности в поперечном сечении и кривизны оси в продольном сечении, а также на основании теоретических исследований и моделирований показаны существенные пути уменьшения наследования овальности и кривизны оси тонкостенных трубных заготовок на погрешности их центрирования.

1. Проведен подробный анализ возникновения овальности и кривизны оси у изделий при процессах производства бесшовных тонкостенных труб.

- Показано, что неравномерность нагрева по поперечному сечению является причиной образования овальности в поперечном сечении и кривизны оси трубы в продольном сечении.

- Установлено соотношение между овальностью во и количеством приложенных сил п при калибровке (при увеличении п овальность ец быстро уменьшается).

Показано, что при калибровке овальность готовой трубы прямо пропорционально зависит от зажимной силы и квадратично от номинального диаметра заготовки.

- Установлено соотношение между кривизной оси <?/<- и разностенностью

2. Разработаны методика и программа моделирования технологического переноса овальности заготовки на погрешности центрирования при базировании в приспособлениях.

- Доказано, что для овальной заготовки существуют углы (положения) Фм и Фт-> определенные в зависимости от количества базирующих элементов приспособления кх, при базировании заготовки под которыми получатся соответственно максимальное и минимальное значения погрешности центрирования (А^0)д/И (ASfKO)m.

- Установлено, что при малых овальностях (е^<0,1) максимальное и минимальное значения погрешности центрирования (А£(К0)м и (А£()а)т прямо пропорционально зависят от величины e0R.

- Сравнение погрешностей центрирования при базировании в приспособлениях с разным количеством базирующих элементов показало следующее: а) При четном количестве базирующих элементов в приспособлении к\, значение минимальной погрешности центрирования всегда равно нулю, т.е. ( Asq () )т(к,\)=0, а в случаях же когда к\ - нечетное число, значение (keg0)т(кх)>0 и чем больше к\, чем меньше (As^ 0)т(к\). б) Величины максимальной погрешности центрирования (А£с)Х))\и при базировании в приспособлениях с к\=3,4,6,8.9,12,16, т.е. (А £с,л))м(к,\) располагаются в порядке (А^0)а/{9) < (Asq0)u(\6) < (Аб^0)Д/(12) < (Ае(ко ЫЗ) < (As6o )л/(8) < (Аебл) Мб) < (Аебм )л/(4). в) Величины средневероятной погрешности центрирования ( Aeq а )c(ks) располагаются в следующем порядке (Ае^0)с{9) < (A^0)t.(16) < (Acf)0)c(\2) < (Ae6j0)с(8) < (Аебл)с(6) < (Ае0л)с(3) < (Ae6j0)с(4).

3. Анализ схем установок трубных заготовок с осевой кривизной в универсальных станочных приспособлениях показал, что механизм образования погрешности центрирования, обусловленной кривизной оси заготовки, на стадии базирования Aзависит не только от кривизны еКп конструктивных параметров приспособлений, но и от схем базирования, в частности показано, что а) для схемы установки консольной заготовки в одном патроне, погрешность центрирования в обрабатываемом торце (А) в 8 раз превышает кривизну оси заготовки ек, т.е. Аеъх (А)=8ед-. б) для схемы установки заготовки в двух патронах погрешность центрирования может достигать наибольшего значения только в торцах (А и В) и сечении (С), находящемся в середине между двумя патронами.При этом ее величина в 16 раз меньше, чем при консольной установке заготовки.

4. Разработаны методика и программы расчета напряжно-деформированного состояния тонкостенных овальных трубных заготовок под действием радиальных локальных нагрузок. Получены графики, изображающие зависимости овальности и погрешности центрирования заготовок от размерных параметров, исходных погрешностей и зажимных сил. Показано образование погрешности формы вблизи краев трубных заготовок на стадии закрепления.

5. С помощью программы ЗоПсШогк-СОБМОЗ смоделированы указанные выше схемы установок тонкостенных трубных заготовок на стадии закрепления. На основании полученных результатов программой 8оП(1\Уогк-СОБМОБ проведен анализ механизма образования погрешности центрирования заготовки с наследственными овальностью и кривизной оси. Доказано, что существуют определенные положения заготовки в приспособлении (углы рассположения главной оси овального сечения), которым соответствуют предельные погрешности центрирования. Доказано, что схема установки в двух плоскостях закрепления дает погрешность меньше всех остальных, поэтому она выбрана для дальнейшего анализа области применения.

6. Разработаны некоторые конструкции приспособлений для уменьшения влияния фактических значений погрешностей формы овальных тонкостенных трубных заготовок на погрешность центрирования. а) Шариковое приспособление для установки заготовки по внутренней поверхности позволяет уменьшить погрешность центрирования, обусловленную кривизной оси до 50% по сравнению с универсальными патронами. б) Плунжерное приспособление для установки заготовки по наружной поверхности (в том числе и ступенчатой заготовки) позволяет уменьшить до 84% влияния исходной кривизны на погрешность центрирования.

1. Алыиевский Л.Е. Тяговые усилия при холодном волочении труб. М.: Металлургия, 1952.- 142с.

2. Беклемисиев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. М.: Наука, 1984.

3. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984.-520с.

4. Борисов С.И. Основы правильной настройки и работы риллинга. Журнал «Сталь», №6,1941.

5. Борисов С.И., Шевченко A.A. К вопросу о выборе трубопрокатной установки. Бюллетень Научно-Технической Информации ВНИТИ, №1-2. Металлургиздат, 1956.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. Гостехиздат, 1956.-608с.

7. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973.-176с.

8. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. М.: Наука, 1976.-512с.

9. Гольденвейзер А.Л., Лидский В.Б., Товстик П.Е. Свободные колебания тонких упругих оболочек. М.: Наука, 1979.-384с.

10. Грудев А.П. Внешнее трение при прокатке. М.: Металлургия, 1973.-288с.

11. Дальский A.M. и другие. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2. М.: Машиностроение, 2001.-944с.

12. Дальский A.M., Базров Б.М., Васильев A.C. и другие. Под ред. A.M. Дальского. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве. М.: Изд-во МАИ, 2000.-364с.

13. Дальский A.M. и другие. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1985.

14. Дальский А.М.Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975.-223с.

15. Данилов Ф.А., Гвейберг А.З., Балакин В.Г. Горячая прокатка труб. М.: Гос. Научно-техническое, 1962.-592с.

16. Даченко В.Н., Коликов А.П. Технология трубного производства. М.: Машиностроение, 2002.

17. Дефекты стальных прессованных труб и профилей. Справочник. М.: Металлургия, 1990. -72с.

18. Дьячков B.C., Ямников A.C., Семин B.B. Влияние способов установки на точность обработки тонкостенных труб. В кн.: Исследования в области технологии механической обработки и сборки машины. Тула.: ТПИ, 1979, С125-138.

19. Задоян М.А. Пространственные задачи теории пластичности. М: Наука, 1992.-384C.

20. Исследование и совершенствование процессов производства труб и профилей. Сборник научных трудов. M.: 1986.-172с.

21. Исследование процессов пластической обработки металлов. Труды института металлургии. Свердловск, 1971.-180с.

22. Кован В.М., Корсаков B.C., Косилова А.Г. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1965.-492с.

23. Коганов И.А., Попова H.H., Ямников A.C. Конструкторско-технологическое обеспечение качества поверхности деталей машин. Тула: 2000.-128с.

24. Матвеев Ю.М., и другие. Новые процессы производства труб. М.: Металлургия, 1969.-264с.

25. Писаренко Г.С., и другие. Сопротивление материалов. Киев: Вища школа, 1986.

26. Потапов И.Н., Коликов А.П., Друяи В.М. Теория трубного производства. М.: Металлургия, 1991. -424с.

27. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник т. 1. Под. ред. Биргера A.M. И Пановко Я.Г. М.: Машиностроение, 1968.

28. Розов Н.В. Холодное волочение стальных труб. М.: Металлургия, 1950.-216с.

29. Семии В.В., Логунов В.М., Дьячков B.C. Влияние упругих деформаций нежестких деталей на точность нарезания и контроля резьб. Тез. Докл. Всесоюз. Конф. Тула: ТПИ, 1980, с 126-129.

30. Сизенов Л.К. Суммирование погрешностей размеров и формы в поперечном сечении цилиндрических деталей. Известия вузов, приборостроение, Т. 12, №11, 1969, cl34-138.

31. Справочник машиностроителя. Т. 3. Под ред. Серенсена C.B. М.: Машгиз, 1963.

32. CT СЭВ 636-77. Допуски формы и расположения поверхностей числовые значения. 1978.-14с.

33. Суслов А.Г., Дальский A.M. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002.-684с.

34. Тюленев А.И. Расчет цилиндрической оболочки и шпангоута на сосредоточенную нагрузку. Издание Академии, 1955.-72с.

35. Федоров Ю.Н., Ямников A.C., Артамонов В.Д., Маликов A.A. Технологические основы проектирования операций механической обработки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. -272с.

36. Феофанов А.Ф. Расчеты тонкостенных конструкций. М.: Гос.изд. оборонной промышленности, 1953.-224с.

37. Филоненко-Бородич М.М. и другие. Курс сопротивления материалов. Ч.П.М-Л. ГИИТЛ, 1949.

38. Шакалис В.В. Моделирование технологических процессов. М.: Машиностроение, 1973.-136с.

39. Шаринов Н.Л. Напряженное состояние цилиндрической консольной оболочки при действии сосредоточенной нормальной силы, приложенной к свободному краю. Инженерный журнал. МТТ ТУ, Вып. 2, 1965, с284-292.

40. Шевакин Ю.Ф., Коликов А.П., Райков Ю.Н. Производство труб. М.: Интермет Инжиниринг, 2005. 568с.

41. Яковлев С.Л., Яковлев С.С., Андрейченко В.А. Обработка давлением анизотропных материалов. Кишинев: Квант, 1997.-332с.

42. Яхин А.Б. Проектирование технологических процессов механической обработки. М.: Оборонгиз, 1946.-267с.

43. Яхин А.Б., Кован В.М. Теоретические вопросы технологии машиностроения. М.: Машгиз, 1939.-451с.

44. Ящерицын П.И. Технологическая наследственность и эксплуатационные свойства шлифовальных деталей. Минск.: Наука и Техника, 1971 .-210с.46. http^/functions.wolfram.com'EllipticIntegrals http://mathworld.wolfram.com