автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса калибрования толстостенных труб оправкой с использованием жидкости высокого давления

РГБ ОД

1 3 МАЙ 1996

На праиах рукописи

ГУРЬЕВ ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАЛИБРОВАНИЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ ОПРАВКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЖИДКОСТИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 05.03.05 -процессы и машины обработки давлением •

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1996

Работа иыпопнена и Уральском интитуте металлов и в Уральском государственном техническом университете - УП1/1

Научный оукоиодитель - доктор технических наук, член-корр. АТН

РО, профессор В.С. ПАРШИН

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

В.В. КАРЖАВИН,

- кандидат технических наук М.А. КАРАСЕВ

Ведущее предприятие - Синарский трубный завод.

Зашита состоится "5 " июня 1936 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета К. 053.14.12 по зашите диссертаций, представленных на соискание ученой степени кандидата технических наук, при Уральском государственном техническом университете (аудитория М-323).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19.

Автореферат разослан "30" ОЦ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

В.П. КОСТРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В трубном производстве существует определенная категория труб, для которых основными показателями при их сдаче является точность внутреннего диаметра и качество внутренней поверхности. К этому классу относятся трубы высокого давления, применяемые в автотракторной, тепловозостроительной, химической и других отраслях народного хозяйства,

Исключительно высокие требования предъявляются к топливопроводам высокого давления регулировочных стендов дизельной топливной аппаратуры. Так в соответствии с требованиями международного стандарта ИСО 4093-86 на внутренний диаметр таких топливопроводов установлен допуск ± 0,025 мм при диаметре канала 2...4 мм. Однако, трубная промышленность поставляет трубы для изготовления таких топливопроводов по ГОСТ 11017-80 с допуском ± 0,15 мм (группа Б) и в лучшем случае с допуском ± 0,05 мм (группа А]. Отсюда, менее 35 % годных топливопроводов получают при изготовлении их из труб группы Б и менее 65 % из труб группы А. И прежде чем отбраковать топливопроводы, их изготавливают и проводят длительные стендовые испытания.

По данным дизелестроительных заводов наряду с экономией топлива при использовании высокоточных труб высокого девления, уменьшается дымность и токсичность ( содержание СО и 1\ЮЭ] отработанных газов.

Таким образом, следует считать актуальным совершенствование существующих и разаработку новых процессов изготовления толстостенных труб с повышенной точностью внутреннего диаметра и качеством внутренней поверхности.

Работа выполнена в соответствии с госзаказом I\Р 01-39018/90-91 Государственной комиссии по продовольствию и закупкам.

Цель работы, разработка и исследование технологического процесса калибрования толстостенных труб, обеспечивающего повышение точности внутреннего диаметра и качества их внутренней

поверхности. Разработка оборудования для производства калиброванных труб.

Ыаужааиыашшэ-рабвпзк

1. Бывдена зависимость модуля объемной упругости жидкости от изменения давления и температуры для процесса калибровки;

2. Получено и проанализировано уравнение состояния, для определения изменения давления жидкости по длине трубы при перемещении по ней оправки;

3. Разработана теория запрессовки оправки в начальный период калибровки без механического воздействия на нее;

4. Разработаны критериальные уравнения подобия, соблюдение которых позволяет моделировать процессы и получать параметры промышленных установок по данным полученным на модели.

Пртт^сктменшсть^тбохьк

1. Результаты теоретического исследования процесса легли в основу расчета и проектирования оборудования установок калибрования труб Государственного научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машино-тракторного парка (ГОСНИТИ].

2. По итогам исследований предложена промышленная технология производства топливопроводных труб, обеспечивающая точность внутреннего канала труб в пределах ± 0,025 мм и выше Сдо 1 0,015 мм], с шероховатостью внутренней поверхности до Н, 0,о3...0,32 мм.

3. Новизна предложенных технических решений по создании: оборудования для калибрования труб подтверждена патентом РО и положительным решением о выдаче патента.

Промышленная установка для калибрования топливопроводньо труб высокого давления прошла приемочные испытания и рекомендована к внедрению на Красноуфимском опытно-экспериментальном заводе. На установку выполнена вся конструкторская и техническая документация с литерой 0-, и передана разработчику регулировочных стендов дизельной топливное аппаратуры - Ярославскому филиалу ГОСНИТИ. Экономически* эффект от использования одной установки калибрования тру< составит 61120 рублей (в ценах 1990 г.). Экономический эф-

j

фект от использования комплектов калиброванных гопливопродов составит 18,3 млн. рублей [ в иенах 1990 г.). Апрабаиия работы. По материалам диссертации сделаны доклады на научно-технических конференциях: "Новые технологические . процессы и оборудование прокатного прсизЕодстиз-ередство повышения качества и экономии металлов", [Челябинск, 1Э80 г.); "Пути повышения конструктивной прочности металлов и сплавов", (Свердловск, 1980 г,]; "Повышение качества расот и металлопродукции в чеснсй металлургии". (Свердловск, 1981 г,); "Повышение износостойкости деталей машин и промышленного оборудования", (Свердловск, 1981 г,); "Пути экономии черных и цветных металлов", (Свердловск, 1982 г.); "Прогрессивные процессы формсобрезозения с обработке металлов давлением", [Минск, 1932 г.). "Произеодство и применение экономичных профилей поокатз для тракторного и сельскохозяйственного машиностроения", (Днепропетровск, 1983 г.); "Технология и средства производства заготовок деталей машин", (Свердловск, 1283г.]; "Инновационные технологии б педагогику и на производстве", (Екатерииоуог, 1336 г.).

Публикации. По те^е диссертеиии опубликовано 19 печатных работ, в том числе получен патент Раз и положительное решение о выдаче патента РО. ¿лзт-зашиш8£_п

1, Реализацию зеяисимости модуля объемной упругости жидкости от изменения давления и температуры и применение уравнения состояния для определения изменения давления жидкости при перемещении оправки в трубе,

2, Теорию расчета запрессовки оправки в очаг деформации в начальный период калибровки,

3, Критериальные уравнения подобия для моделирования и расчета установок калибровки труб различных типоразмеров.

Объем работы, Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, списка литературы из 124 наименований и приложений на 161 странице основного машинописного текста; содержит 51 рисунок и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА ТОЛСТОСТЕННЫХ ТРУБ И ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЧНЫХ ВНУТРЕННИХ ОТВЕРСТИЙ

В настояшее врэмя при изготовлении толстостенных труб высокого давления широко используется волочение нэ самоустана-влииаюшеяся опраеке. Анализ способов производства толстостенных труб с позиции теории обработки металлов давлением пока-зыиает, что из-за "высокого" очага деформации при волочении, пластическая зона не в полной мере рапространяатся в глубину стенки, Это не позволяет в достаточной мере управлять течением металла для обеспечения показателей точности. Поэтому точность внутренних оазмеоов толстостенных труб может быть получена в случае развитой и управляемой деформации около внутренней поверхности. Известны способы получения точных отверстий-дорнование и раздача. Принципиальное отличие этих способов от калибровки-неличие жесткого органа-стержня и значительное трение на контакте, Перед дорном образуется волна металла, поэтому дорнование возможно на относительно коротких трубах, на длинных оно может привести к заклиниванию дорна. А наличие жесткого стержня исключает возможность обрабатывать отвестия менее 4 мм: Поэтому предлагается способ обработки труб при котором основное деформирующее усилие прилагается с внутренней поверхности инструментом-оправкой без механической связи последней с приводом,

Исходя из анализа процессов производства труб и принимая во внимание высокую эффективность процесса калибрования, определены цель и задачи исследований, которым посвящена диссертационная работа:

1. Провести теоретические исследования по обоснованию технологических параметров и условий проведения процесса.

2. Провести экспериментальные исследования по определению требований к исходной заготовке, геометрии инструмента, эф^ фективных режимов и параметров калибровки, таких как; величи-

ны сожатия, уровня давлений, вида рабочих жидкостей и смазок, обеспечивающих заданную точность и качество готовых труб.

3. Разработать технологический процесс и оборудование для его осуществления. Определить и отработать последовательность технологических операции, рациональные режимы и условия, обеспечивающие допустимые разбросы геометрических размеров гогоипк Фуо и качества их инутоенней поверхности.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИ!: ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ КАЛИБРОВАНИЯ ТРУБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЖАТОЙ ЖИДКОСТИ.

В разрабатываемом процессе силоиым рабочим органом является жидкость. При этом используются упругие свойства жидкости, а именно, свойство восстановления исходного объема при любом изменении формы.

'> 1 ;; 4 в

ивчэяю

ч

Рис.1. Схема процесса капиСчюванин труб.

Схему процесса калибровки можно представить следующим образом {рис.1). На конце труоы 6 предварительно выполняется полость и пережим 5. В полость устанавливается оправка 4, и конец трубы закрепляется зажимным механизмом 3 вплотную к устройству высокого давления 1. Рабочая жидкость е устройстве сжимается плунжером 2 до давления р,,1 [р^ЗОО-.ТОО МПа) при котором оправка передавливает пережим 5 и с большой скоростью (50...150 м/с) "простреливает" канал .трубы.

Для повышения производительности о&р^удования процесс запрессовки оправки должен осуществляться, автоматически при перемещении плунжера в контейнере. |

Сила запрессовывания оправки в начальный период калиб-роизния возникает от действия высокого давления на ее торец и от усилия трения движущейся жидкости:

Р = Р Йоп т ^ И)

где р - давление на оправку, о0П - площадь поперечного сечения оправки, проходящего через калибрующий поясок.

После определения дезления (р) и силы трения £Ртр), общее выражение силы, действующей на оправку в начельный момент, - е. силы, которая должна обеспечить запрессовыаание оправки имеет вид:

Р-[[лс)орипгс!^пг/(ат.и51бг)][(азип^гпп/128с)тц5,)+210у/6г] [2} где Ц.п Д~п-скорость и диаметр плунжера; с!0,10-диаметр и длина оправки; ф-внутренний диаметр заготовки; б^-усредненкые зазоры по сечению и длине оправки; у-кинематическая вязкость жидкости.

Анализ уравнения [2] позволяет определить пути управления процессом запрессовки.

Величинами 1)лг, и с1гг„ т.е. характеристиками пресса и устройства высокого давления мсжно лишь незначительно увеличить силу запрессовки, т.к. пределы их изменения достаточно ограничены. Что касается вязкости (V), то этот параметр можно изменять на 2-3 порядка.

Общее усилие запрессовки по формуле (2], например для труб размером 7х вн.2 мм равно 23,6 Н при использовании жидкой смазки. При использовании же консистентной смазки в смеси с жидким маслом с вязкостью V = 0,2x10"2 м2/с общее усилие запрессовки равно 760 Н. В результате предложен способ запрессовки оправки с использованием смазки повышенной вязкости, когда перед операцией установки оправки в трубу в развальцованную часть подается порция пластичной смазки.

Исходя из технологического описания процесса, можно установить основные зависимости при калибровании.

Поскольку при калибровке происходит преобразование энергии, то первый закон термодинамики дает первую основную зависимость:

• Е1 - Еа = Е А,. (3)

где: Е. и Е- - ячгТрнняя энергия сжатой жидкости в момент старта огргвки и в момент выпета оправки из тр,ог.|; - А, - сумма внешних рэбот. выполненных жидкостью при калибоовке.

Источником энесгии является сжатая жидкость, поэтому второй зависимостью будет уравнение состояния жидкости.

йр = - к (4)

Только при небольших изменениях деления обьемная деформация йУ/\/ пропорциональна изменению ар. 3 практически используемых читргз?алах давления и температурь' величина (к) зависит от этих пасеметроз. По Корнфельду эта зависимость с достаточной тсчнос'ъю передается рядом:

к - -с, ¡р + р-Ч+Хо № + Р*)" ^ - • 15)

Для фуппы минеральных мзсап значение коэффициента х ,=6, а коэффициенты х. ..., х настолько малы, что влияние соответствующих членов ряда сказывается лишь при (р + р*] > 1,2 ГПа. Зависимость сжимаемости жидкости от температуры выражается соотношением:

П(Г - I ], Г6)

где 1^коэффициент пропорциональности; р~, г -параметры критического состояния, разрущнющего жидкость дс газа путем расточения до дэол^нхг? {-р*} « нагреем до тмпееэтугы Для минЕрачьььк масгл принято т =0,9 МП?/град . г* = 450'"'. Общий вид зависимости к ~ АоД; ) имеет вид:

к - "г [ р + П^«- О], (7)

Общее уравнение состояния рабочей жидкости после интегрирования и преобразования уравнения (5):

(Ро + р*П;0Мр..+ рЧ^М/Ч,)1 (6)

Уравнение (8] позволяет определить изменение давления сжатой жидкости по длине трубы.

На поступательное движение оправки , т.е. на ее перемещение со скоростью и0 затрачивается сравнительно мало энергии. Однако, именно скорость перемещения оправки является основной, управляемой, точно измеряемой и контролируемой характеристикой. Поэтому третьей основной зависимостью будет уравнение поступательного движения:

= X Ф,т0№У/ Щ (9)

где ЕЯ- геометрическая сумма внешних сил; £ Ф.т::, - приведенная масса оправки. Приведенная масса оправки учитывает, что и движении участвует жидкость.

Совокупность уравнений (3),(В],(9) позволит решить основную задачу калибровки найти зависимости и^лбУ/Л/-,), ^о/У,ип=Пикр, Д с!). Вешание .^раанений-^ааибр-ованиа Уравнение баланса энесгии будет (рис. 2): V;.

1 pdV = I А, [10]

! V I Мг.-Л/, V /V,

Р'ис.2 Баланс анергии при катброзке [о] и влияние жесткости жидкости на ее сжимаемость |6|

Подставляя уравнение состояния (3) о уравнение баланса энергии (10) и интегрируя, после преобразования будем иметь: Уа

дЕ =1 рс!\Иро+р*1/[х-1) \Уо/Ул)г

V,

(11)

В рационально настроенном процессе необходимо получить наибольшую величину полезной работы, совершаемой жидкостью при расширении с объема V-, до объема \/г = V-, + V, . Поэтому можно использовать рабочие жидкости повышенной жесткости Однако, возможность варьирования величины потенциально? энергии за счет жесткости жидкости достаточно ограничены, таь как использование жидкостей с увеличенными параметрами (%,л дают значительную кривизну кривой р «ЯУ) и довольно близки \ всех жидкостей. Увеличить потенциальную энергию можно за сче" использования нагрева жидкости, т.е. изменить параметр. р*(Ц Од-

ноко и этот пуго нгдсстатйчнс эффективен из-эе ^елого ряда технологических ограничении - невозможно использование легкслету-чих, огнеопасных жидкостей, затруднительностью их нагрева выше 60..,80° С и последующего удаления жидкости с поверхности трубы. Объем контейнера или объем предварительно сжетсй жидкости увеличивает рабочую потенциальную энергию незначительно. Вызвано это тем, что при достаточно большом отношении длины контейнера к его диаметру (1^/сУ, дальнейшее увеличение объема V, практически не эффективно, так как по свидетельству исследователей высоких давлений при быстрых изменениях давления процесс разгрузки не охиатывает всего объема скатой жидкости. Управлять процессом можно зз счет управления давлением р..

Аналогично расчетам, принятым во внутренней баллистике каждую из работ Д,-,...А6 будем представлять в виде.

А, = ф, т01) /2 При калибровкз энергия сжатой жидкости расходуется на следующие видь: рзБот

Работа [А,], за-речиобегдзя на раздечу (деформацию) канала трубы, предстеяля°-' основной рид расходч энергии-

^¡па^о/Ю+М' КсЬ/Н^ЛсИ.)]' йда }(3-2соэа), (19)

Пои определении рпл используется формула Попова Е.П, для раздачи труб.

Работа (А-), расходуемая нэ сообшение оправке поступательного движения с определенной скоростью:

ио

Аа = I т0 1!с1и= т0 иао/2 (13)

о

Работа (Аэ) перемещения жидкости по каналу трубы следом за оправкой:

!г.ио

А3 = 11 р Б и ах. оо

После интегрирования получим:

А3 = р Б (1к -Нт) (и о/2) или А3 = Фз т0 [и о/2) (14)

Следовательно, коэффициент ф3 = р Б (1к + 1т) /т0, где т0 - масса оправки; р - плотность жидкости при давлении калибровки; рЕЛк - масса сжатой жидкости в контейнере, участвую-

шая едвижении; р51, - масса сжатой жидкости, заключенная и поле сти калибрующей трубы.

Работа (А^) вытеснения оправкой среды (жидкости), находящейся перед оправкой ь канале трубы определяется аналогично рзботе А3:

А« = р0 Б 1т [\Гг/2) (15)

или, приведя все к массе оправки (тс), окончательно будем иметь: А4 = ф4 т0 [1Гг/2), (16)

где рп - плотность жидкости при атмосферном давлении; р,Б1т -масса жидкости в полости трубы. Таким образом, коэффициент ф4 в формуле (16) равен:

= Ро Б 'т/ то-

Принципиальное отличие работы А4 от А3 заключается в возможности технологического управления величиной Ал изменением массы жидкосш в полости трубы.

Работа (А5) затрачивается на преодоление местных сопротивлений при движении жидкости.

Здесь следует отметить, что потери энергии жидкости будут, как в потоке жидкости движущейся за справкой, тек и перед оправкой. Отличие будет только в том, что за оправкой перемещается жидкость с большей плотностью, а величину потерь энергии жидкостью перед оправкой можно регулировать Тогда работа будет равна:

А5 = А'б + А"5

Величина потерь механической энергии (А'5) составляет:

А'5 = рп Б I = [А/ р Б I (и2С0/2) (17)

Аналогично определяется величина потерь жидкостью движущейся перед оправкой:

А"5= (АЛ IР0 Б I (иаср/2) (18)

С учетом приведения к массе оправу:

А5 = Ф5 т0 (и с/2), где ф5 - ф'5+ф"5. Ф'5 = [X' 1/с1+4'м] р I/ т0;

Ф"5 - р0 ^ 1Т / т0.

Дополнительная работа [А6), совершаемая жидкостью (расположенной перед оправкой в трубе) при ее выдавливании в упругую среду.

А6 =2к. + и0Зтои0]то оД/2) или

А6 = Ф6 т0 (и2 У 2). [19]

Следовательно, коэффициент.__

Ф6 = 2 к Б т !т/[( + и0) т0 и0] [20)

Тогда потенциальная энергия, затрачиваемая на калибровку.

ДЕ = А-| + I ф| т0 (иго/2), (21)

где 2ф, - (ф? + <рэ + <р4 + «р5 + ф6к ф2 - 1 Указанные коэффициенты определяют влияние среды и размеров трубы на процесс калибрования, что является одной из основных особенностей расчета.

Выражение (21) определяет соотношение затрат при калибровке и помогеет нейти конкретные технологические решения. Нвлример, при калибровке труб с малым каналом скорость оправки мажет достигать больших значений [ более 100 м/с), при которых резко увеличивается коэффициент трения и происходит оплавление соприкасаемых поверхностей. Заполнение трубы перед калибровкой жидкостью массой (Ма) (превышающей в десятки раз массу справки) утяжеляет оправку на эту величину и, таким образом, Сплжает сиарас1ъ ее пьреиешения. Используя противадевлание, цм-р^сть перемещения сг.раыы можьо регулировать и более шорских лргд'-злЕХ. Таким сбрззом, сснизчле уревкрние калиЬоовки и.ч'ент вид: [р0+р*)/["/-" 3 V, [1-( V-/ х/./ГТр*^

= А, ^р, гп0 ¡и',/?} (22)

Учитывая уже проанализированный характер внешних сил. действующих на опрезку, уравнение движения (9) можно, записать в виде:

3 [рч - Р,1П)~ -Ф, т0 и №11 /йх) (23)

гдь р., - давление жидкости на дно оправки. Из формулы хорошо видно, что при недостаточном значении давления жидкости р, выражение в сксокпх мало и □ некоторый момент может стать меньше нуля. В этом случае оправка затормозится и остановится, не вылетев из трубы.

В качестве аналога можно привести результаты исследования стрельб из огнестрельного оружия при исполу знании малых зарядов. Пр/. зарг.дз ниже спргдсле! 1нига предела,

снаряд не вы^атаЕ:" - м-июй ежоростыо, е в стволе.

Однако, и'подзЬреть заряд так, чтобы снаряд падал рядом со стволом практически невозможно. Аналогичная ситуация возникает и при рассмотрения процесса калибровки.

Уонвнение поступательного движений помогает мэити ту часть объеме сжатой жидкости, которая участвует в калибровке.

Интегрируя уравнение (24] получим:

Ир^р") р01г] аи0 /г. (241

Условием существования процесса является р.,-р.,г>0, тогда из уравнения [24] таким условием будет;

((р (!.-!,) ^ Р0 и/и |/с /2-Рпл-р")/(р0+рж). [25] где у = V ■ - V,- ооъем сжатой жидкости при вылете оправки из трубы, V, - объем внутренней полости трубы.

Оормула (25] позволяет оценить минимально необходимый объем сжатой жидкости и, следовательно, контейнера высокого давления и зависимости от размерое калибруемой трубы и физических свойств жидкости. Численное решение уравнения дает соотношение (Уо/\/.1ГП1П=30..,50,

После определения соотношения объемов контейнера и полости трубы из уравнения (25) можно из решения уравнения Раланса энергии (22} определить скорость перемешения опревки (1У и найти пути по управлению процессом. Решив уравнение (22] относительно скорости Ц0 получим-,

иэ= V 2( АЕ - АяУМо , (26)

где А; - работа пластической деформации трубы; М0 - £ф, т3 - фиктивная масса [¡-2...6].

Расчет коэффициентов ф, показал, что коэффициенты ф3 ф5 в 200...450 раз увеличивают фиктивную массу опревки (фг=1). И если величиной коэффициентов фэ ф'5 мы практически управлять не можем, то изменять значения коэффициентов фд ф"5 ф6 можно в широких пределах. Расчеты по формуле (26} показывают, что скорость может достигать значений 150...200 м/с, когда нет противодавления, т.е. нет жидкости перед оправкой и коэффициенты ф4 ф"5 ф6 равны нулю. Заполнение жидкостью трубы перед калибровкой обеспечивает естественное противодавление и скорость оправки снижается в 2...3 раза.

Таким образом, предлагаемое выше теоретическое рассмотрение вопроса калибрования труб, позволяет в общем случае ре-

шить вопрос об определении основных параметров установок высокого давления А, именно, определить необходимый объем контейнера высокого давления, требуемое давление в контейнере, основные параметры технологии.

3. ЭКСПЕРИМЕКТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КАЛИБРОВАНИЯ ТРУБ

Комплекс экспериментальных исследований позволил сформулировать основные требования к узлам и агрегатам оборудования, выбрать оборудование и распространить результаты экспериментальных исследований на разработку перспективного оборудования различных типоразмеров и модификаций. Результатом экспериментальных исследований явилась разработка промышленной технологии калибрования труб с повышенной точностью внутреннего канала.

Экспериментальные исследования проводили при калибровке труб практически всех типоразмеров, входящих в ГОСТ 11017-80 с отношением 0/сКЗ,5...7, с относительной длиной 1/д- 50...2000. При калибровании толстостенных труб большого диаметра с О/б = 2...4 из стали ШХ15 использовали горячекатанные заготовки как с расточкой по внутреннему диаметру, так и без его расточки. Кроме этого, калибровались бурильные штанги из шестигранника 32 мм с внутренним каналом 0 7,4 мм из стали 60С2, трубы из ковара 0 23 х1,55 мм, тонкостенные трубы для амортизаторов размером 0 27 х1,5 мм, трубы из циркония 0 10 х 1 мм. Были проведены работы по плакированию труб из углеродистых сталей внутри трубами из нержавеющей стали, калибровали свертнопаяные трубы.

При калибровке, как и при любом виде пластической деформации при увеличении обжатия возрастает и величина потребного усилия. Экспериментальные данные помогают определить общую зависимость давления от обжатия. Обработка данных по методу наименьших квадратов дает зависимость:

Р™/ст8 =ехр[-62.8х(лс)/суа+17.9х(дс1/с1о]-0.7]> (3.1) где с!0 - диаметр оправки, мм.

Для калибровки использовались различные рабочие жидкости, такие как, касторовое масло, веретенное масло, пальмовое масло, вазелиновое масло, индустриальные масла марок 20,30,40,50 с нагревом их до 120...150°С и без нагрева, жидкости с высокими упругими характеристиками, например, глицерин, полиметил-силоксановая жидкость ПМС-200. Эти жидкости использовались и для заполнения трубы перед калибровкой. Анализ работы с этими жидкостями не выявил явного преимущества какой либо из них Поэтому в силу чисто технических ограничений (производственных и эксплуатационных) в качестве рабочей жидкости и жидкости для заполнения трубы перед калибровкой были выбраны индустриальные масла.

Квк будет сказано ниже, при калибровке оптимальный угол оправки меньше, чем при дорновании и составляет 2а ■> 4...80. Такие оправки и были использованы при калибровке труб. При уменьшении угла оправки 2а с 8° до 4" увеличивается площадь контакта оправки с трубой в очаге деформации, однако увеличения усилия калибровки не обнаружено, т.к. по-видимому колебание величины остальных параметров, особенно коэффициента трения, перекрывают возможность фиксации влияния изменения угла конусности оправки на величину давления калибрования.

Скорость перемещения оправки по трубе является трудно измеряемым параметром, но по ней можно косвенно судить о возможности успешного осуществления процесса калибровки. Максимальная зафиксированная скорость оправки получена при минимальном относительном обжатии, использовании предварительно калиброванной трубы, оптимальном угле оправки (2а = 6и], отсутствии жидкости в трубе и смазке канала маловязкой смазкой, Такая скорость составила 257,8 м/с. В этих же условиях, но при заполнении канала жидкостью скорость составила 46,14 м/с, т.е. уменьшилась в 5,6 раза, что подтверждает зависимость скорости движения от приведенной массы оправки (Мс) (см. формулу 2.56]. Из теоретического анализа, подтвержденного экспериментами прослеживается общее ведение проиесса-параметры, минимизирующие силы контактного трения, способствуют устойчивому протеканию процессе.

Одним из важнейших показателей качества топливопровод-ных труб, влияющих на работу дизельных установок является точность их внутреннего диаметра,

Точность внутреннего канала труб прокалиброванных оправкой, проталкиваемой жидкостью высокого давлениялрактически не зависит от типоразмера заготовки, а определяется размерами калибрующей оправки. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что при учете упругого последействия труб можно существенно уменьшить поле допуска на внутренний диаметр труб и получать, например, топливопроводные трубы не только соответствующим стандарту ИСО 4093-86 с допуском навнутренний диаметр ± 0,025 мм, но и иметь трубы с более узким (х 0,015 мм)

допуском

%

(рис

3)

50

30

С

т о

т а

ю %

ч

а 50 с

о 30 т а10

а Х= 1,335 мм Цс =0.0623 му ^с=0.00335мм - 0 Х=Р.ОЗ/ мм з^с.осее™ £-0000073-

I |

I I

I I 1 I

п I I i 1 I

в £=1944 чм мм у=0.00055мм*" г X.=2.0075 мм (Г„-00046и*м 2. 6/0.000052 г ММ

г

1.8 2.0 2,а а.4 1.в 2.0 2.2 й.мм Рис.З. Гистограммы распределения размеров внутреннего диаметра труб 07х вн.2 мм (а.в-до кати б* ровки, б,г-после калибровки).

а

Основными показателями качества толстостенных труб наряду с точностью их геометрических размеров являются форма и взаимное расположение цилиндрических поверхностей, глубина залегания дефектов на внутренней и наружной поверхностях труб, шероховатость внутренней поверхности.

В настоящей работе не проводились специальные исследования по определению влияния на шероховатость и другие качественные характеристики труб параметров процесса, Однако, проведенные замеры шероховатости внутренней поверхности зеготовки и калиброванных труб позволяют сделать некоторые выводы:

1. Шероховатость внутренней поверхности калиброванных труб уменьшается на 2-3 класса. При этом у более толстостенных труб поверхность выглаживается интенсивнее.

2. Калибрование труб одной оправкой в несколько переходов позволяет повысить "точность канала и уменьшить шероховатость внутренней поверхности. Однако, начиная с четвертого перехода эти показатели остаются на одном уровне .

3. При калибровании толстостенных труб с размерами внутреннего канала О 30...50 • мм отмечено значительное влияние на чистоту внутренней поверхности как разовой деформации, так и количества проходов . Калибрование труб уменьшает величину дефектов в среднем в 1,5...2 раза.

Как установлено контрольными замерами у калиброванных труб наклёпывается только поверхностный слой на глубину до 0,1 мм при диаметре канала 2 мм, прочностные характеристики изменяются незначительно.

Замеры распределения микротвердоста, свидетельствуют, что в основном наклёпывается слой контактирующий с оправкой. Такое незначительное увеличение микротвердости поверхностного слоя приводит к увеличению сопротивляемости топливопроводов вибрациям и износу внутренней поверхности от потока жидкости,

Исследование микроструктуры не выявило структурных изменений и наличия текстурированного слоя у калиброванных труб.

4. ТЕХНОЛОГИЯ КАЛИБРОВАНИЯ И ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований по госзаказу N01-330-18/90-91 Государственной комиссии по продовольствию и закупкам УралНИИЧМ совместно с ГОСНИТИ разоаботел. изготовил и испытал промышленную установку калибровки внутреннего канала то пли ио про водных труб способом калибрования деформирующим инструментом с помощью жидкости высокого давления.

Даннея усте^овка прошла приемочные испытания представителями ГССНИТИ, Ярославского филиала ГОСНИТИ и Красноуфимского опытно-экспериментального завода, одного из основных заводов России, выпускающих регулировочные стенды для дизельной топливной аппаратуры. Комиссия рекомендовала передать установку Красноуфимскому 033 для промышленного выпуска на ней калиброванных труб в соответствии с международным стандартом ИСО 4093-86. На данную установку была выпущена вся конструкторская и техническая документация, рабочие чертежи и все это передано Ярославскому филиалу ГОСНИТИ для промышленного использования.

Использование установки для калибровки топливопро-водных труб позволит обеспечить получение эталонных топливопроводов с точностью внутреннего канала ± 0,025 мм и выше, удовлетворяющих требованиям международного стандарта ИСО 40ЭЗ-85. практически исключить подбор стендовых, контрольных и оснсзных эталонов ДТА из топливопроводов с расширенным полем допуска по внутреннему диаметру, улучшить долговечность стендовых топливопроводов.

Большая номенклатура толстостенных труб с размерами внутреннего диаметра от 01 мм до 040 мм и более значительно затрудняет экспериментальное определение и выбор рациональных параметров установок высокого давления, которые следует применять для калибровки.

Для определения основных параметров перспективных установок целесообразно использовать теорию подобия и размерностей и не ее основе вывести критериальные уравнения, соблюдение которых при моделировании даст возможность получить численные параметры промышленных

установок и явлений, происходящих в них по данным полученным на модели. Разработка таких критериальных уравнений существенно сократит время, трудозатраты на проектирование оборудования и отладку технологического процесса, даст возможность прогнозировать параметры установок калибрования.

Экспериментальные исследования подтвердили теоретические выводы, что в общем случае процесс калибрования труб с использованием энергии сжатой жидкости характеризуется следующими параметрами: усилием калибрования - F, скоростью плунжера пресса - U, диаметром плунжера контейнера высокого девления - d, вязкостью рабочей жидкости -V, сжимаемостью жидкости - В, обьемом жидкости в контейнере- V, внутренним диаметром трубы - d3, наружным диаметром трубы - Dâl диаметром калибрующей оправки - d0, углом конусности оправки - а , сопротивлением материала трубы пластическому деформированию -а массой подвижных частей пресса - М, массой калибрующей оправки - m и скоростью ее движения - U0 между которыми существует некоторая функциональная зависимость:

f (F, U, d, v.p, V, d„ Da) d0 a. o, M, m, U0 ]. (27)

Критерии подобия можно получить, воспользовавшись методом нулевых размерностей. Выбрав по числу первоначальных основных единиц три каких-либо параметра, например, a, U, dn. запишем их размерности:

-1-2 о -1 о о

[о] = [mi tu m : fui = см] tu гп ад - [M] [u m

Неравенство нулю определителя, составленного из степеней размерностей [ M ] ; [ L ] ; [ Т ] означает, что размерности выбранных параметров являются независимыми функциями [M];[L];[T].

Записав уравнение (27] в виде: f (F/tcMPFdoSj; d/laW^eJ-, p/ta^tlWe);

у/(<х^иЧ10Ч V/ior'vUrvd06v); M/(cWMd0SM);

rn/[CT4,mUïnnd05m3; d3/[a<t>djUïdjd0Sd3); Dyio'D.UbAAîJ; oc/bW« do5«); U0/(îj<puoUy uod0s uo), (28]

получим одиннадцать [14-3=11} независимых критериев подобия. Значения показателей степеней (pFj7F,6p..,(paa, YUo,5Uo определяются из условия, что входящие в [28) аргументы являются безразмерными комплексами.

Установки и процессы калибрования, осуществляемые с их помощью, будут подобны, если инвариантны безразмерные комплексы базовой установки ( модель ) и рассчитываемой [натура). Это будет выполняться при соблюдении:

а) геометрического подобия П-i^V/d 0 =idem,

n^Dydrf'de™' n3=d/d0=iciem1 П4= d/d0 =idem,

б) кинематического подобия

n5=v/UdC)=idem> ns=p/a"~',=:klem1 ll/^oeidem,

в) силового подобия Пд = F/(cr d n ^ idem,

-2-1

г) динамического подобия ng^M/fcrlJ d oHdem,

П1С= U0/LH idem, = m/taU'Vo) = idem, Поскольку рассматривается установившийся процесс, тогдз в определяющие критерии нет необходимости вводить начальные условия, поэтому критерии П, ...П1, дают достаточные условия двух систем.

Присвоим величинам, относящимся к базовой установке [модель) и рассчитываемой С натура ) соответственно индексы "м" и "н" , покажем, как определяются масштабы с помощью которых осуществляется переход от параметров модели к параметрам натуры.

Обозначим: a„/aM=r0, UH/UM=rL(l d0H/d0M=rda тогда на основании, полученных критериев подобия запишем уравнения для определения основных параметров установок и характеристик процесса:

Чгг do^M> D-^-r^oD зм, d3H-rd0d зм, dQH-rdodOM, -1 —1 vH=rurdo v„; p(f=r a pM; FH=rcrd0FM; MH=rcr dor yM

mH=Tar dor umM; и„=гиим; dH=rdodM .

Результаты теоретического решения задачи сравнены с экспериментальными исследованиями по калиброванию топливопроводных труб размеров 07 х вн.2 мм на установке высокого давления УК-100. смоделирован процесс и установка для калибрования' труб размером 010 х вн.3,2 мм с использованием формул [4.5),

проведаны исследования по их келиЬровэнию на установке УК-2.50. Результаты исследовании показали хорошую сходимость. Среднее, расхождение по параметром составляет 5,5 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен анализ способов и технологии производства толстостенных труб с регламентируемой точностью внутреннего диаметра, Установлено, что ни одним из известных способов пластической деформации толстостенных труб невозможно обеспечить требуемый дизелестроителям уровень точности канала труб,

Разработан новый способ калибрования внутреннего диаметра труб с использованием жидкости высокого давления, который позволяет получать трубы, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 11C17-SQ (группе А) как по качеству внутренней поверхности, так и по точности канала.

Выполненная работа позволила получить следующие результаты:

"V Выведена зависимость модуля упругости от давления и температуры и получено уравнение состояния, что позволило определять изменение давления сжатой жидкости по длине трубы при перемещении по ней калибрующей опраки.

2. Установлено, что для гарантированного калибрования трубы на всю ее длину (3...4 метра) необходимо иметь среднюю скорость оправки не менее 15 м/с. Большие скорости (150...200 м/с) приводят к повышенному трению и износу оправок, поэтому для регулировки скорости их перемещения следует использовать противодавление.

3. Для обеспечения стабильного уплотнения оправки, повышения вязкости смазки в очаге деформации и снижения величины контактного трения в начальный период калибрования перед установкой опраеки в трубу необходимо подать порцию густой смазки. г

4. Разработанна геометрия калибрующей оправки, ее двусто-ронность, исключает операцию ориентировки при установке последней в трубу.

5. Получена эмпирическая зависимость давления стерта оправки при калибровании толстостенных труб с относительной толстостенносгью О/б от 1.5 до 5.

6. Теоретически решен вопрос определения основных параметров установок высокого давления, а, именно, объема контейнера высокого давления и требуемого максимального давления в нем, в зависимости от размера труб и относительной деформации. Выведенные на основе теории подобия и размерностей критериальные уравнения, позволяют говорить о подобии процессов и установок для осуществления этих процессов. Соблюдение критериальных уравнении подобия позволяет моделировать численные параметры промышленных установок по данным, полученным на модели.

7. Разработана, изготовлена и прошла испытания установка для калибровки топливопроводов регулировочных стендов дизельной топливной аппаратуры. Для этой установки изготовлены рабочие чертежи, вся техническая документация, с присвоением ей литеры О,. Вся документация передана разработчику регулировочных стендов - Ярославскому филиалу ГОСНИТИ.

Способом калибповки изготовлены топливопроводные трубы с весьма малыми диаметрами канала (06* вн. 1,4 мм, 06 - вн. 1,5 мм, 06х вн.1,5 мм, 07хвн.1,1 мм, 07х вн.1,6 мм ит.д,}., не вошедшие в ГОСТ 11017-60. Эти трубы предназначены для осваиваемых промышленностью дизелей на заводах ЗИП, ГАЗ, КаМАЗ, УралАЗ, ВАЗ и др,

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. В.И.Урельский, В.С.Плахотин, Е.С.Гурьев. Новая технология изготовления особотолстостенных труб с точным внутренним каналом// Тезисы докладов н.-техн. конференции "Новые технологические процессы и оборудование прокатного произаодства-средство повышения качества и экономии металлов", Челябинск, 16-18 сентября 1980. с.48.

2. В.И.Уральский, В.СПлахотин, Е.С,Гурьев. Изготовление калиброванных труб с помощью энергии сжатой жидкости// Тезисы докладов н.-техн. конференции "Пути повышения конструктивной

прочности металлов и сплавов", Свердловск, 9-10 декабря 1S8Q. с.44-45.

3. В.И.Уральский, В.С.Плахотин, Е.С.Гурьев. Изготовление толстостенных труб с повышенными эксплуатационными сиойства-ми//Тезисы докладов н.-техн. конференции "Повышение качества работ и металлопродукции в черной металлургии", Сиердловск, 26-27 марта, 1981 , с. 21.

4. Е.С.Гурьев. Влияние трения на износ оправок пои калибровке толстостенных тру6//Тезисы докладов н.-техн. конференции "Повышение износостойкости деталей машин и поомышленного оборудования", Свердловск, 7-8 сентября 1981, с. 24.

5. Э.А.Бубнов, Е.С.Гурьев. Моделирование условий работы установок для калибрования труб жидкостью высокого давления// Деп. рукопись БУ ВИНИТИ "Депонированные рукописи", 1982, №11, с. 111.

6. В.С.Плахотин, Е.С.Гурьев. Изготоиление высокоточных труб для топливопроводов дизелей/'/Свердловск: ЦНТИ, инср.листок №61682. 1982, 3 с.

7. Е.С.Гурьев, В.С.Плахотин. Повышение точности топливо-проподных труб для дизельных двигателей// Тезисы докладов н.-техн. конференции "Пути экономии черных и цветных металлов", Свердловск, 1-2 июня, 1982, с. 40-41.

S. В.И.Уральский, Е.С.Гурьев. Способ повышения качества труб за счет управления перемещением опраики//Тезисы докладов н.-техн. конференции "Пути экономии черных и цветных металлов", Свердловск, 1-2 июня, 1982, с. 50-51.

9. В.С.Плахотин, Е.С.Гурьев. Теоретические основы способа производства длинномерных труб с каналом высокой точности и чистоты поверхности//Тезисы докладов н.-техн. конференции "Прогрессивные процессы формообразования в обработке металлов давлением", Минск. 16-17 сентября 1982, с. 92.

10. Э.А.Бубнов, Е.С.Гурьев. Выбор основных параметров оборудования для калибровки труб жидкостью высокого давления// Тезисы докладов н.-техн. конференции "Прогрессивные процессы формообразования в обработке металлов давлением", Минск, 1617 сентября 1982, с. 93-94.

11. Е.С.Гурьев. Определение усилия раздачи толстостенных труЬ//Дал.рукопись БУ ВИНИТИ, "Депонированные рукописи", 1382, N»12.

12. В.С.Плзхотин, Е.С,Гурьев, В.А.Алешин. Новый способ производства топливопроводных труб с повышенной точностью внутреннего канала// Бюлл. "Черметанфсрмацид". 1983, NP10, с. 2630.

13. В.С.Плзхотин, ЕС.Гурьез. Прогрессивный способ улучшения качества тс пли иопро водных труб//' Тезисы докладов н.-техн. конференции "Пр-во и применение экономичных профилей проката для тракторного и с/х машиностроения", Днепропетровск, 25-27 октября 1383, с. 54-55.

14. Е.С.Гурьев. В.С.Плахотин. Производство труб повышенного качества для мешиностроения//Тезисы докладов 1-ол Всесоюзной конф. "Технология и средства производства заготовок деталей машин", Свердловск, 6-8 декабря 1983, с. 31,

15. Л. Б. Фельдман. М,С.Долгэнов, В.Г.Комзрсв, Е.С.Гурьев. Т.А.Трунина. Топливопроводы повышенной точности для эталонирования дизельной топписнсй аппаотуры//"Диигателестроение", 1991, № 10-11, а 34-39.

13. П.П.Покровския, Л. Б,Фельдман, М.С.Долганов, ИАСоколов, Т.А.Трунина, Е.С.Гурьее, Е.А.Ксксвихин. Оправка для калибровки канала топливопровода//Патент Ро, № 2043812, опубл. 20.09.S5. 17 М.С.Долганов, ПЛ.Покровский, Л.Б.Фельдман, И.А.Соколов, Т.А.Трунина, Е.С.Гурьев, Е.А.Коковихин. Способ калибровки толстостенных труб с малым внутренним каналом и установка для его осуществления// Положительное решение о выдаче патента от 18.06.93.

18. Е.С.Гурьэв. Основы теории калибровки канала труб// Тезисы докладов 2-ой научно-техн. конференции молодых ученых и специалистов УГППУ, "Инновационные технологии в педагогике и на производстве", 22-24 февраля 19S6 г., с.62.

19. Е.С.Гурьев. Повышение производительности установки для калибрования труб// Тезисы докладов 2-ой научно-техн. конференции молодых ученых и специалистов УГППУ, "Инновационные технологии в педагогике и на производстве", 22-24 февраля 1996 г.. с.63.

Подписано в печать 2 9, О^г, 96 Формат 60x84 1/16

Бумага для множ. аппаратов, Плоская печать. Усл. п. л. 1.16 Уч,-лзд.л. 1.06. Тираж 100 экз. Заказ ЩУ Бесплатно Редакционно-издательский отдел УГППУ Екатеринбург, ул. Машиностроителей, 11

Ротапринт УГППУ, Екатеринбург, ул. Каширская, 73