автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование технологии многоколенной пространственной гибки труб проталкиванием на роликовой машине



На правах рукописи

Корнилов Виталий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОКОЛЕННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГИБКИ ТРУБ ПРОТАЛКИВАНИЕМ НА РОЛИКОВОЙ МАШИНЕ

Специальность: 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005541791

Работа выполнена на кафедре системы пластического деформирования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУВПО МГТУ «СТАНКИН»),

Научный руководитель: Непершин Ростислав Иванович

доктор технических наук, профессор кафедры «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Официальные оппоненты: Ковалев Виктор Григорьевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии приборостроения» ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана Бурлаков Игорь Андреевич доктор технических наук, главный специалист ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»

Ведущая организация: ОАО «ВМЗ» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В.Хруничева» (Воронежский механический завод), г. Воронеж

Защита состоится «. 2013 года в «_» часов на заседании

диссертационного совета Д 212.142.01 на базе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации) просим высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д 212.142.01.

Автореферат разослан Т^У 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы заключается в том, что гнутые детали из стальных и легированных тонкостенных бесшовных труб применяются в космической, авиационной, автомобильной, химической и других отраслях промышленности. Использование тонкостенных гнутых трубопроводов взамен сварных может гарантировать не только более высокое качество машин (устойчивость гнутых трубопроводов к изгибающим и крутящим моментам выше), но и позволяет снизить турбулентность потока жидкости за счет исключения механообработки и снизить массу используемых трубопроводов за счет уменьшения толщины стенки, а это с развитием техники становится все более важным.

Существующая технология предусматривает изготовление макета, эталонирование трубопроводов, изготовление шаблонов, что требует значительных затрат времени и денег, участия высококвалифицированных рабочих при изготовлении трубопроводов. Это приводит к увеличению трудоемкости и большому количеству брака, так как проложить оптимальную сеть трубопроводов и учесть при этом возможности существующего оборудования практически невозможно данным методом.

В этой связи особое значение приобретает решение вопроса изготовления гнутых участков трубопроводов непосредственно на целой трубе без применения ввариваемых патрубков, толщина стенки которых из соображения равнопрочности применяется больше толщины основной трубы, что приводит к увеличению веса трубопровода.

Развитие производства трубопроводов в ракетной технике характеризуется совокупностью перечисленных требований и повышением прочностных характеристик, применяемых материалов.

В связи с этим одной из актуальных задач является совершенст-

вование технологии многоколенной пространственной гибки труб и разработка новых технологических приемов и оборудования, обеспечивающих качественную гибку трубопроводов с малыми радиусами гиба и гибку труб из труднодеформируемых малопластичных материалов (06Х15Н6МВФБ-Ш (ВНС-16), 03Х12Н10МТР-ВД (ВНС-25), 03Х12Н10ИТР (ЭП-810, ВМС-25), 12Х18Н10Т-ВД, 07Х16Н6 и др.).

Цель работы. Совершенствование технологии многоколенной пространственной гибки труб методом проталкивания на роликовой машине.

Указанная цель может быть достигнута при решении следующих задач:

- определение предельной кривизны трубы без образования дефектов при гибке методом проталкивания на роликовой машине;

- разработка математической модели процесса гибки труб методом проталкивания на роликовой машине с переменным радиусом кривизны, которая позволит уменьшить радиус гиба трубопроводов многоколенной пространственной формы и аналитически получать параметры гибки трубопроводов;

- разработка метода узкозонального индукционного нагрева труб при гибке тонкостенных трубопроводов из труднодеформируемых малопластичных материалов, который позволит обеспечить многоколенную пространственную гибку криволинейных элементов трубопроводов малыми радиусами без применения наполнителя;

- разработка оборудования, обеспечивающего качественную многоколенную пространственную гибку трубопроводов методом проталкивания.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования базируются на использовании теории пластичности, сопротивления материалов и теоретической механики, а также на основных положе-

ниях технологии машиностроения. При обработке результатов экспериментальных данных использовались методы численного анализа.

Научная новизна работы заключается в:

- совершенствованой технологии многоколенной пространственной гибки труб проталкиванием на роликовой машине;

- математической модели процесса многоколенной пространственной гибки труб методом проталкивания на роликовой машине с переменным радиусом кривизны для получения малого радиуса гибки;

- аналитических зависимостях силовых характеристик оборудования от технологических параметров гибки трубопроводов.

- аналитической зависимости формы трубы и пружинения от параметров проталкивания, определении предельной кривизны трубы без образования дефектов при гибке без дорна.

- методе узкозонального индукционного нагрева труб при гибке тонкостенных трубопроводов из труднодеформируемых малопластичных материалов, который позволяет обеспечить многоколенную пространственную гибку криволинейных элементов трубопроводов малыми радиусами без применения наполнителя;

- разработке специального оборудования, обеспечивающего качественную многоколенную пространственную гибку трубопроводов методом проталкивания.

Практическая ценность работы заключается в:

- рекомендациях получения малого радиуса гибки труб методом проталкивания без образования дефектов за счет использования совершенствованной технологии многоколенной пространственной гибки труб и разработанных конструкторских решений.

Реализация и внедрение результатов исследования: Полученные результаты использованы при совершенствовании технологии многоколенной пространственной гибки трубопроводов сложной

конфигурации методом проталкивания на модели универсального трубогибочного станка с числовым программным управлением (ЧПУ) СТОПН-80, а также на трубогибочном станке с узкозональным индукционном нагревом с ЧПУ модели СГИН-120 и опробованы на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш». Внедрение результатов исследования технологию гибки трубопроводов методом проталкивания позволило повысить точность гибки на 8,3% на трубогибочном станке СТОПН-80 и на 6,9% на станке СГИН-120. Запатентованные изобретения, разработанные в ходе исследования, были внедрены на трубо-гибочных станках моделей СТОПН-80 и СГИН-120 и позволили улучшить работу данного оборудования и повысить качество получаемой продукции.

Апробация работы: Результаты исследований доложены на международных научно-технических и научно-практических конференциях:

1) «Использование систем сквозного автоматизированного проектирования при создании нового прогрессивного оборудования для заготовительного производства» на конференции «Новым изделиям РКТ — новые технологии изготовления». Королев. НОУ ДПО «ИПК Маш-прибор». 28-29.04.2010г.;

2) «Использование систем сквозного автоматизированного проектирования для изготовления трубопроводов сложной пространственной формы изделий РКТ» на международной конференции «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике». Королев. НОУ ДПО «ИПК Машприбор». 28-29.04.2010г.;

3) «Проектирование прогрессивного оборудования для заготовительного производства с использованием систем сквозного автоматизированного проектирования» на конференции «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» в рамках II межотраслевого молодежного

научно-технического форума, посвященного 50-летию первого полета человека в космос. Москва. МАИ. 02.12.2010г.;

4) «Моделирование упругопластического изгиба трубы на роликовой машине» на международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики». Воронеж. ВГУ. 26-28.09.2012г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, среди них 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 2 патента на изобретения 2 патента на полезную модель и 1 заявка на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, литературы и приложения. Объём диссертации 105 страниц, 40 рисунков, 3 таблицы и 130 наименований литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен анализ состояния проблемы, обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы её цель, научная новизна; приведены сведения о практическом использовании полученных научных результатов и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описываются существующие технологии изготовления гнутых трубчатых деталей и их основные характеристики (см. таблицу 1). Также проведен анализ имеющихся работ отечественных ученых и исследователей A.A. Ильюшина, В.В. Соколовского, Г.А. Смирнова-Аляева, А.И. Целикова, Е.А. Попова, В.П. Романовского и др. в части математической теории пластичности, теории обработки металлов давлением и инженерных методов расчета технологических параметров процессов и авторов Th. Karman, Ю.Н. Алексеев, М.Н. Горбунов, В.И. Давыдов, E.H. Мошнин, И.Н. Альбов и др. в части работ по пластическому изгибу труб методом проталкивания.

Таблш/а. 1

Существующая технология гибки труб

Вид гибки _трубы

а) гибка в роликах

б) гибка наматыванием на вращающийся копир

в) гибка проталкиванием

г) гибка труб путем проталкивания через канал матрицы

д) гибка в штампах

Схема гибки трубы

Примечание

изменяя расстояние между роликами,

можно получить различный радиус кривизны

а-со складкодержате-лем;

б-без складкодержа-теля

наименьший радиус изгиба р-1с[

а - без нагрева;

б - с нагревом в узкой

зоне.

1 — пуансон;

2 — матрица;

3—кондуктор заготовки

4 — заготовка.

в штампе с шарнирной матрицей

е) гибка гидро- N /* '1 г л При этом утонение

V \ - / 1 стенки на наружном радиусе не превышало

статической гл 1 1

формовкой

Т2 т 1 10—12%

АУ

При применении обычных методов гибки во многих случаях радиус гибки ограничивается узкими пределами, а при применении методики гидростатичекой формовки можно получить меньшие радиусы гибки, но необходимо использовать сложную гидростатическую систему и специальную машину.

Основными преимуществами станков, работающих по схеме гибки проталкиванием, являются: универсальность (возможность гибки пространственного трубопровода на различные радиусы без смены гибочного инструмента - роликов и дорна), наличие сжимающих напряжений от продольной составляющей усилия на гибочном ролике позволяет вести гибку с утонением меньшим, чем при гибке наматыванием, возможность вести гибку с переменным радиусом гиба трубы, возможность навивки спиралей, змеевиков с постоянным и переменным шагом, возможность установки перед гибочным роликом нагревателя в случае гибки с локальным нагревом для труб из труд-нодеформируемых малопластичных сплавов.

Вторая глава состоит из трех параграфов.

В первом параграфе проведен анализ упругопластического изгиба труб без нагрева путем проталкивания, в котором рассмотрены: статический анализ гибки трубы проталкиванием, кинематический анализ гибки трубы проталкиванием изгиба трубы при постоянной длине средней осевой линии трубы, упругопластический изгиб трубы с линейным упрочнением и учетом нормальной силы.

На рисунке 2.1. показана схема многоколенной пространственной гибки трубы проталкиванием. На нестационарной стадии изгиба кривизну х в сечении А задавали линейной функцией перемещения / не-

9

деформируемой части трубы в зону изгиба.

Х=— /,0</<8,, (2.1)

где х* ~ конечное значение кривизны в сечении А, обеспечивающее заданную кривизну трубы после разгрузки за роликом 3.

При известном моменте пластического изгиба М в сечении А задача определения силы проталкивания является статически определимой. В системе координат х,у сила Р и реакции RA, Rb, Rc находятся из уравнений равновесия

Rc= ---, Р= Rc sin а , RB= М/а2, RA= Rb + Rc cos a, (2.2)

xccos a+yc sin a

где a - угол наклона касательной к криволинейной оси трубы в сечении С; хс, ус - координаты оси трубы в сечении С, и а2 - расстояние между осями роликов 2 и 1. Для нахождения неизвестных нужно определить изгибающий момент в сечении А и форму осевой линии трубы, которые рассчитываются в последующих параграфах.

Форма осевой линии трубы. Вследствие высокой жесткости трубы при упругом изгибе изменение кривизны осевой линии трубы на участке упругой разгрузки АС незначительно. В расчетной модели осевую линию трубы на участке разгрузки при проталкивании на длину

1 принимали окружностью со средним радиусом на дуге / < a¡. Угол а, координаты Хс , Ус оси трубы в сечении С и координаты хз, уз траектории оси ролика 3 определяются формой деформированной осевой линии трубы и условием сохранения длины осевой линии трубы на нестационарной стадии изгиба, равной расстоянию ai. Линейные величины принимаем безразмерными, отнесенными к диаметру трубы d. « = /*2, X =У2(Х + Х0), Xo=X-[M-Rc(ai-t)VCe, (2.3)

Хс= Rsina + (al-l)cosa ,ус= i?(l-cosa)+(a,-/)sina , (2.4)

хз = Хс + (1/2 + resina, y¡=yc - (112 + recosa, (2.5)

где R = 1 / х , Се - жесткость при упругом изгибе трубы, Гз - радиус ролика 3 в плоскости изгиба трубы.

Упругопластический изгиб. Момент М в сечении А рассчитывается по кривизне х с учетом нормальной силы N и упрочнения материала по линейному закону с использованием кинематической гипотезы плоских сечений.

На рисунке 2.2. показано поперечное сечение трубы, расчеты ведутся в полярных координатах г, <р. В упругом слое IeI < ME, где Е -отношение модуля упругости материала трубы к начальному напряжению текучести an. В этом слое нормальное напряжение определяется законом Гука

с = Ее, e = x(rsin(p-Í;) , IeI < ME. (2.6)

В пластических зонах при |е|>МЕ при линейном упрочнении с модулем Ср нормальные напряжения определяются формулой

a = ± (1 + Ср lEpl) , lEpl = Ix (г sin ф - ^ )1 - ME, (2.7)

На упругопластических границах выполняется равенство a = ±1. Из

первых соотношений (2.6) и (2.7) определяются координаты уг

упругопластических границ и толщина упругого слоя

У1 = ^+М(гЕ),У2 = ^- ЩуЕ), К = 2 !(%Е) (2.8)

Кривизна Хь ПРИ которой толщина упругого слоя совпадает со средним диаметром трубы, определяется формулой

2

Xi =

(2.9)

E{l-h)

Упругопластическим границам у 1 и у2 соответствуют Рисунок 2.2. Упругопластические гра- углы фь фг определяемые ницы в сечении трубы формулами

sintpi=ji/r, sin фт ~ У2 / Т" (2.10)

Нормальная сжимающая сила N и момент М определяются интегрированием распределений напряжения а в упругой и пластической зонах, заданных уравнениями (2.6), (2.7) при г = Vi (1 - И).

N=-h( I-W1+/2+/3], fi=~Ц+ Фг) (1+ Ср (х 1 IE)) + Cv%r cos Ф2] , /2 = (у- Ф1 ) (1 - Ср № +!/£)) + X Ср г cos ф,,

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

/з = X £ [г (cos ф2 - COS Ф1) + 4 (ф2 - ф!>] .

M='/2/*(i-/o2[/;+/5+/6],

/4 = COS ф2 (1 + Ср (х^- 1 /£■)) + % X Ср Г (71 + 2ф2 - sin 2ф2 ), /5 = cos ф| (1 - Ср (х^ + 1 IE)) + /4 X Ср г (71 - 2ф1 + sin 2ф;), /б = %Е № г (ф1 - фг) - '/4 г (sin 2ф! - sin 2ф2) + 4 (cos ф, - cos ф2)], где /ь f¿ и /4, f¡ - интегралы, вычисляемые в пластических зонах сжатия и растяжения;/з и f6 - интегралы, вычисляемые в упругом слое.

При упругом изгибе с кривизной % < получаем линейную зависимость момента от кривизны с изгибной жесткостью Се

М=хСе, Се= £ ЯА(1 -hf. (2.15)

о

При малой толщине упругого слоя /ге « 1 из формул (2.8) и (2.10) получаем модель жесткопластического изгиба при у\ —>_у2 —> ^ , и ф1—> фг —* ф , где ф - полярный угол, определяющий положение ней-

трального сечения. В этом случае формулы для нормальной силы и момента принимают вид

И=И{\-К){2и? + к Ср х £,), 4 = г втер*, (2.16)

М= ХА Ь(\ - А)2 (2 сое ф* + | Ср % г ) . (2.17)

Формулы (2.16) и (2.17) определяют изменение момента в зависимости от нормальной силы. При Аг= 0 из формулы (2.16) следует <р = 4 = 0, и момент принимает максимальное значение

М= /?(1 - И)2 (1 + ~ СгХг), N=0.

(2.18)

В случае идеально пластического тела (Ср= 0) уравнения для нормальной силы и момента принимают вид

ЛГ=2й(1-й)ср*, (2.19)

М= А( 1 - А)2 сое (р*. (2.20)

Искажение формы сечения трубы. При изгибе трубы без внутреннего дорна или наполнителя существует предельная кривизна оси трубы, при которой происходит искажение формы сечения по механизму пластического шарнира под действием внутренних уравновешенных сил. На рисунке 2.3. показано осевое сечение трубы в зоне изгиба.

Критическая кривизна трубы определяется по механизму пластического шарнира под действием уравновешивающей пары сил СЬ, действующих в зонах растяжения и сжатия, ф - угол, зависящий от нормальной силы.

Для упрочняющегося материала следует

**= £-я + Ър ,(2.21)

Х Ср( 1-АХ2-Я?)

£={(*-8С,А*;

Рисунок 2.3. Предельная кривизна трубы

Во втором параграфе разработана программа, моделирующая технологический процесс гибки труб проталкиванием на роликовой машине с учетом линейного упрочнения и нормальной силы

На первом шаге проталкивания кривизна трубы мала, поэтому принимается N = 0, <р = 0 и по уравнению (2.17) рассчитывается момент М , используемый для определения реакций роликов и силы проталкивания Р. Затем принимается N = Р , из уравнения (2.16) вычисляется угол ф методом Ньютона, и из уравнения (2.17) находится уточненное значение момента М с последующим определением уточненных значений реакций и силы проталкивания. Полученное значение силы Р = N используется в качестве начального приближения с увеличением кривизны % на следующем шаге проталкивания, на котором выполняется аналогичная итерационная процедура расчета N , М, реакций роликов и силы проталкивания Р .

Моделирование изгиба тонкостенных труб проталкиванием реализовано на кафедре СПД МГТУ «Станкин» в виде ФОРТРАН - программ. На рисунке 2.4. приведен пример моделирования гибки проталкиванием для труб из алюминиевого сплава АМГ 5.

Нестационарную стадию изгиба с возрастанием безразмерной кривизны до значения % = 0.2 в сечении А моделировали 25 равномерными шагами проталкивания, положение гибочного ролика 3 в конце проталкивания при изгибе на угол у = 1.65. На участке АС происходит изгиб трубы до кривизны хо после точки С с поворотом оси трубы на угол а = 0.718 при

изгиба трубы проталкиванием

перемещении оси ролика 3 в конечное положение. На участке СО происходит вращение трубы с постоянной кривизной до достижения угла поворота у переднего конца. На участке ЭЕ кривизна оси трубы изменяется от хо до нуля в результате начальной нестационарной стадии проталкивания при повороте оси трубы на угол а] = 0.323.

Угол поворота оси трубы на стационарной стадии изгиба ас = 0.675. и угол пружинения после упругой разгрузки ап = 0.065. Конечный угол поворота оси трубы с учетом пружинения равен заданному значению у = 1.65. Предельная кривизна овального искажения сечения трубы Хс = 0.181 близка к заданному значению

На рисунке 2.5 показаны зависимости силы проталкивания Р и реакций роликов Яа, Яв, Не от перемещения на нестационарной стадии изгиба трубы из сплава АМг 5.

В начале проталкивания происходит упругий изгиб трубы при х < XI = 1.08-10~2 при линейном возрастании момента Ми реакций роликов. Конец упругой стадии изгиба показан на рисунке 2.5. темными кружками.

На следующем участке происходит уп-ругопластический изгиб трубы при малой нормальной силе N = Р близкой к нулю, толщина упругого слоя /ге быстро снижается при Рисунок 2.5. Зависимости силы проталки- увеличении х и асим-вания Р и реакций роликов от перемещения птотическом прибли-на нестационарной стадии изгиба трубы жении момента упруго-пластического изгиба к жесткопластическому изгибу.

Дальнейшее формоизменение трубы до конечной кривизны % происходит по механизму жесткопластического изгиба.

Разработанная модель изгиба тонкостенных труб проталкиванием на роликовых машинах позволяет определять форму трубы и предельную кривизну изгиба без применения внутреннего дорна или других наполнителей и анализировать изменение нагрузки на ролики и привод машины, и формы трубы в зависимости от параметров наладки при исключении дефектов в виде овальности формы сечения.

В третьем параграфе разрабатывается методика построения технологического процесса гибки труб проталкиванием с использованием узкозонального индукционного нагрева. Также разработана конструкция индуктора узкозонального нагрева малопластичных труднодеформируемых труб для достижения качественной гибки трубопроводов с использованием локального нагрева. Индукторы данной конструкции внедрены на трубогибочном станке с узкозональным индукционным нагревом модели СГИН-120.

Разработанная методика позволяет по пробным гибам определить начальное плеча гиба /,0:

¿0 < (Ян + гр) ¡1- ^^ - Дн X К (2.22)

и величину перемещения гибочного ролика Н

Н = (Янйр +гр) - + + (2.23)

Третья глава «Конструкторские решения, позволяющие усовершенствовать технологию процесса многоколенной пространственной гибки труб проталкиванием на роликовой машине», состоит из шести параграфов. В нем представлены разработанные конструктивные схемы трубогибочных станков (валковых машин) и конструк-

тивных элементов и устройств, улучшающих работу трубогибочных станков.

Разработан способ гибки труб проталкиванием (рисунок З.1.), отличающийся тем, что гибку трубной заготовки проводят поворотом обоймы гибочной головки на угол, обеспечивающий заданный размер радиуса гиба трубной заготовки, а смену плоскости гиба трубной заготовки производят поворотом внешней части гибочной головки вокруг продольной оси трубной заготовки.

а) до гиба; б) плоскость ХОУ после гиба; в) плоскость XOZ Рисунок 3.1. Схема гибки трубы пространственной формы Патент на изобретение № 2422229 получен 27.06.2011 г.

6 ю

Рисунок 3.2. Гибочная головка станка для гибки труб Патент на изобретение № 2434703 получен 27.11.2011 г.

Разработан станок для гибки труб, оснащенный гибочной головкой (рисунок З.2.), выполненной в виде планшайбы, в которой ус-

тановлена труба для проталкивания трубной заготовки, обойма с отверстием для заготовки, образующая со сферической поверхностью трубы сферический шарнир, причем гибочный элемент выполнен в виде шарнирно установленных на корпусе гидроцилиндров.

Разработан, изготовлен и внедрен в производство на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш» универсальный трубогибочный станок для изготовления трубных изделий многоколенной пространственной формы тремя способами гибки (намотки, обкатки и проталкиванием), подана заявка на патент. Разработан, изготовлен и внедрен в производство на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш» универсальный трубогибочный станок для автоматизированной многоплоскостной гибки труб с использованием узкозонального индукционного нагрева.

11 ц э (6 <1 з Разработано зажимное устройство

\ _Г , Г ^

V, 1 м ; ' ! (рисунок З.З.), отличающееся тем,

Рисунок 3.3. Зажимное устройство патент на полезную модель

№ 106313 получен 31.03.2011 г.

Разработано, изготовлено и внедрено на трубогибочном

что зажимные элементы выпол-

нены в виде рычагов с зажимными губками, установленных на оси с

возможностью поворота.

станке с узкозональным ин-

дукционным нагревом модели СГИН-120 зажимное устройство, отличающееся тем, что оно оснащено прижимом, выполненным в виде зафиксированной в обойме втулки с

Рисунок 3.4. Зажимное устройство для гибки труб с узкозональным индукционным нагревом

внутренней резьбой, в которую ввинчен прижимной элемент, имеющий возможность контакта с одним из зажимных элементов. Патент на полезную модель № 128265 получен 20 мая 2013 г.

Указанные конструктивные схемы трубогибочных станков (валковых машин) и конструктивные элементы и устройства разработаны для совершенствования технологии многоколенной пространственной гибки труб методом проталкивания с переменным радиусом кривизны.

Четвертая глава «Экспериментальные исследования технологии гибки труб методом проталкивания на роликовых машинах» состоит из двух параграфов.

Экспериментальные исследования проводились с использованием универсального трубогибочного станка модели СТОПН-80 и трубогибочного станка с узкозональным индукционным нагревом модели СГИН-120.

На данном оборудовании была внедрена разработанная совершенствованная технология многоколенной пространственной гибки трубопроводов методом проталкивания, которая позволила повысить точность гибки на 8,3%.

Также результаты теоретических исследований и конструкторских решений были внедрены на трубогибочном станке модели с узкозональным индукционным нагревом модели СГИН-120 и позволили повысить на нем точность гибки проталкиванием на 6,9%.

В заключении диссертации сформулированы результаты проведенного исследования, рассмотрена перспектива дальнейшей работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. В диссертации решена научно-техническая задача совершенствования технологии многоколенной пространственной гибки труб проталкиванием на роликовой машине. Разработанная технология позволяет автоматизировать процесс многоколенной пространственной

19

гибки и отказаться от изготовления макета, эталонирования трубопроводов и изготовления шаблонов, что снижает трудоемкость и количество брака.

2. Разработана математическая модель процесса гибки труб методом проталкивания на роликовой машине с переменным радиусом кривизны для получения малого радиуса гибки. Модель внедрена на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш» и позволила уменьшить радиус гиба повысить точность гибки на 8,3% на универсальном трубо-гибочном станке модели СТОПН-80.

3. Получены аналитические зависимости силовых характеристик оборудования от технологических параметров гибки трубопроводов, которые дают возможность определять способен ли определенный трубогибочный станок согнуть трубопровод с заданными технологическими параметрами.

4. Получена аналитическая зависимость формы трубы и пружи-нения от параметров проталкивания, выведена формула определения предельной кривизны трубы без образования дефектов при гибке без специальной оснастки. Данная зависимость позволяет определить необходимость разработки специальной оснастки (дорна, выглаживателя) для гибки трубопровода с заданными технологическими параметрами без образования дефектов.

5. Разработан метод узкозонального индукционного нагрева труб при гибке тонкостенных трубопроводов из труднодеформируемых малопластичных материалов. Способ обеспечивает многоколенную пространственную гибку криволинейных элементов трубопроводов малыми радиусами без применения наполнителя. Разработанный метод был внедрен на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш» и позволил снизить радиус гиба и повысить точность гибки на 6,9% на трубоги-

бочном станке с узкозональным индукционным нагревом модели СГИН-120.

6. Разработано специальное оборудование, обеспечивающее качественную пространственную гибку трубопроводов на анализе факторов, влияющих на стабильность процесса гибки, и определения возможности управления технологическим процессом. Предложены оптимальные конструктивные схемы трубогибочных станков, получены 2 патента на изобретения («Способ гибки труб и станок для осуществления способа», «Устройство для гибки труб»). Разработаны, изготовлены и внедрены в производство на предприятии ФГУП «НПО «Техномаш» универсальный трубогибочный станок для изготовления трубных изделий многоколенной пространственной формы модели СГОПН-80 и трубогибочный станок с узкозональным индукционным нагревом модели СГИН-120. Разработана конструкция гибкого дорна для получения малых радиусов гиба труб без использования локального нагрева (подана заявка на полезную модель № 201314838 31.10.2013). Полезная модель находится на стадии внедрения на тру-богибочном станке модели СТОПН-80. Разработаны и запатентованы два устройства зажима трубы при гибке труб с использованием локального нагрева. Одно из устройств внедрено на трубогибочном станке модели СГИН-120.

По теме диссертации опубликованы следующие статьи

Статьи, опубликованные в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Корнилов В.А. Универсальный трубогибочный станок для изготовления трубных изделий многоколенной пространственной формы / Котов А.Н., Кривенко Г.Г., Вайцехович С.М., Шубин И.В., Долгополое М.И. // Заготовительные производства машиностроения. 2011. №12. С. 32-36.

2. Корнилов В.А. Спирально-профильные трубы: преимущества и перспективы применения в теплообменных аппаратах / Вайцехович

С.М., Кривенко Г.Г. //Технология машиностроения. 2011. №12. С. 31-37.

3. Корнилов В.А. Изгиб трубы проталкиванием на роликовой машине. Вестник Станкина / Непершин Р.И. II Вестник Станкина. 2012. №4 С. 18-26.

Статьи, опубликованные в журналах, не входящих в перечень ВАК:

4. Корнилов В.А. Использование систем сквозного автоматизированного проектирования для изготовления трубопроводов сложной пространственной формы изделий РКТ // сборник статей ИПК «Маш-прибор». 2010. С. 78-79.

5. Корнилов В.А. Моделирование упруго-пластического изгиба трубы на роликовой машине / Непершин P.M. // Сборник трудов Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики». 2012. Часть 1. С. 210-216.

Патенты РФ на изобретения и полезные модели, полученные по теме диссертации:

6. Корнилов В.А. Устройство для гибки труб / Котов А.Н., Кривенко Г.Г., Красуля A.A. и др. // Патент РФ на изобретение № 2434703. B21D9/05. 2011.

7. Корнилов В.А. Способ гибки труб и станок для осуществления способа / Вайцехович С.М., Кривенко Г.Г., Шубин И.В. и др. // Патент РФ на изобретение №2422229. B21D9/05. 2011.

8. Корнилов В.А. Зажимное устройство / Вайцехович С.М., Кривенко Г.Г., Пашинов A.A. и др. // Патент РФ на полезную модель № 106313. F16B2/02. 2011.

9. Корнилов В.А. Зажимное устройство / Котов А.Н., Ухмылин И.В., Короткое А.Н. и др. // Патент РФ на полезную модель № 128265. F16B2/00. 2013.

10. Корнилов В.А. Гибкий дорн / Панов Д.В., Ухмылин И.В., Короткое А.Н. и др. // Заявка полезную модель № 201314838. F16B2/02, B21D9/03. 2013.

Подписано к печати 19.11.2013 Заказ № 2159 от 19.11.2013 Формат 148x210; Гарнитура Times NR Cyr МТ. Бумага офсетная Тираж 120 экз.

ООО «АртПоход». 127055, г. Москва, ул. Новослободская, 58 Тел.: +7 (499) 978-38-27; E-mail: direct@artpohod.ru; http://www.artpohod.i

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Нс^правах рукописи

ПЛ?П1У С373 С

и'? и ! "Г Лшь/и ^

Корнилов Виталий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОКОЛЕННОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГИБКИ ТРУБ ПРОТАЛКИВАНИЕМ НА

РОЛИКОВОЙ МАШИНЕ

Специальность 05.02.09 Технологии и Машины обработки давлением

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., профессор Р.И. Непершин

Москва-2013

Содержание

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

Глава 1. Анализ методов изгиба трубопроводов и состояние вопроса....................................................................................................9

1.1. Способы гибки труб в холодном состоянии.........................................9

1.2. Гибка труб с использованием локального нагрева..........................16

1.3. Краткий обзор работ по пластическому изгибу труб и общей теории пластического изгиба............................................................................20

1.4. Выводы и основные задачи исследования..........................................24

Глава 2. Анализ пластического изгиба труб методом проталкивания.....................................................................................26

2.1. Анализ упругопластического изгиба труб без нагрева путем проталкивания.....................................................................................................26

2.1.1. Кинематика изгиба трубы при постоянной длине средней осевой линии трубы............................................................................................26

2.1.2. Момент и нормальная сила при изгибе трубы...........................29

2.1.3. Предельная кривизна трубы..........................................................32

2.2. Моделирование изгиба трубы на ЭВМ................................................34

2.3. Разработка методики гибки труб с использованием узкозонального индукционного нагрева.....................................................................................39

2.3.1. Разработка конструкции узкозонального нагрева труб...........39

2.3.2. Нахождение технологических параметров гибки......................42

Глава 3. Конструкторские решения по технологии гибки труб проталкиванием на роликовой машине.........................................49

3.1. Устройства для гибки труб проталкиванием....................................49

3.1.1. Способ гибки труб и станок для осуществления способа.........49

3.1.2. Устройство для гибки труб.............................................................55

3.1.3. Универсальный трубогибочный станок для изготовления трубных изделий пространственной формы.................................................59

3.1.4. Трубогибочный станок для автоматизированной многоплоскостной гибки труб с индукционным нагревом.......................62

3.2. Устройства для усовершенствования технологии гибки труб на трубогибочных станках.....................................................................................63

3.2.1. Зажимное устройство для гибки труб с индукционным нагревом................................................................................................................63

3.2.2. Автоматизированное зажимное устройство для гибки труб с индукционным нагревом...................................................................................65

3.2.3. Гибкий дорн.......................................................................................69

Глава 4. Экспериментальные исследования.................................73

4.1. Задачи исследования..............................................................................73

4.2. Оборудование и контрольно-измерительная аппаратура...............74

4.3. Проведение экспериментов по проверке теоретических зависимостей, полученных в главе 2..............................................................76

4.3.1. Проведение экспериментов на трубогибочном станке модели СТСШН-80.............................................................................................................76

4.3.2. Проведение экспериментов на трубогибочном станке с индукционным нагревом модели СГИН-120................................................80

4.4. Опробование конструкторских решений для усовершенствования технологии гибки труб проталкиванием, описанных в главе 3................82

4.4.1. Проведение экспериментов по опробованию предложенного способа гибки труб и оборудования................................................................82

4.4.2. Проведение экспериментов по опробованию предложенного устройства для гибки труб................................................................................84

4.4.3. Проведение экспериментов по опробованию предложенного автоматизированного зажимного устройства для гибки труб..................85

4.5. Методика моделирования процесса гибки трубопроводов ЖРД... 86

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................................89

Список литературы............................................................................................91

Приложение 1. Патент на изобретение № 2422229 «Способ гибки труб и

станок для осуществления способа», полученный 27.06.2011 года........103

Приложение 2. Патент на изобретение № 2434703 «Устройство для гибки

труб», полученный 27.11.2011 года................................................................106

Приложение 3. Патент на полезную модель № 106313 «Зажимное

устройство», полученный 31.03.2011 года....................................................109

Приложение 4. Патент на полезную модель № 128265 «Зажимное

устройство», полученный 20.05.2013 года....................................................111

Приложение 5. Акт внедрения результатов диссертационной работы . 113 Приложение 6. Акт об изготовлении трубогибочного станка модели

СТОПН-80...........................................................................................................115

Приложение 7. Акт об изготовлении трубогибочного станка модели

СГИН-120............................................................................................................116

Приложение 8. Акт об изготовлении автоматизированного зажимного устройства...........................................................................................................117

Введение

Гнутые детали из стальных и легированных тонкостенных бесшовных труб широко применяются в космической, авиационной, автомобильной, химической и других отраслях промышленности.

В промышленности производство тонкостенных трубопроводов сложной пространственной формы играет все более важную роль в механических системах [17, 18, 48, 67]. Исследования показали, что использование тонкостенных гнутых трубопроводов взамен сварных может гарантировать не только более высокое качество машин (устойчивость гнутых трубопроводов к изгибающим и крутящим моментам выше устойчивости сварных), но и позволяет снизить массу используемых трубопроводов (уменьшение толщины стенки гнутых трубопроводов по сравнению со сварными) [17, 18], а это с развитием техники становится все более важным.

Развитие авиации и ракетной техники поставило ряд очень важных технологических задач. Одной из них явилось получение гнутых тонкостенных трубопроводов для двигателей и систем жизнеобеспечения летательных аппаратов. На рисунке 1 представлена фотография жидкостного ракетного двигателя. Он содержит целую сеть разнообразных трубопроводов с самыми различными конфигурациями. Необходимо, чтобы трубопроводы были без дефектов (таких как смятия или гофрообразования) и как можно меньшей длины. Существующая технология предусматривает изготовление макета, эталонирование трубопроводов, изготовление шаблонов, что требует значительных затрат времени и денег, участия высококвалифицированных рабочих при изготовлении трубопроводов, а также не дает нужных результатов, так как проложить оптимальную сеть трубопроводов и учесть при этом возможности существующего оборудования практически невозможно данным методом.

Основными направлениями в снижении трудоемкости изготовления трубопроводов являются:

- автоматизация гибочных работ, обеспечивающих необходимую точность и качество согнутых труб;

- уменьшение количества сварных стыков за счет исключения из конструкции трубопровода патрубков и изготовления его из целой трубы-заготовки;

- замена крутоизогнутых штампосварных патрубков бесшовными;

- уменьшение объема работ по очистке внутренней и наружной поверхностей труб путем применения способов гибки, обеспечивающих защиту поверхностей от окисления и повреждения;

- автоматизация работ при сборке;

- механизация работ при монтаже.

Рисунок 1. Жидкостный ракетный двигатель

Уменьшение количества сварных соединений и замена штампосварных

патрубков бесшовными, помимо снижения трудоемкости, является также ко-

6

ординальным средством повышения надежности трубопроводов и изделий в целом.

Стремление к снижению веса летательных аппаратов приводит к непрерывному уменьшению относительной толщины стенок труб, используемых при изготовлении трубопроводов, за счет применения специальных высокопрочных материалов (легированных сталей, титановых сплавов и др.), значительная часть которых характеризуется низкими пластическими свойствами в холодном состоянии.

Значительные перспективы по снижению веса и трудоемкости изготовления трубопроводов открываются благодаря разработанным в промышленности методам получения утолщенных законцовок из тела трубы.

Замена приварных ниппельных законцовок на утолщенные повысит надежность работы стыка, устранит случаи разгерметизации системы, снизит трудоемкость изготовления трубопроводов, позволит применять более тонкие трубы и тем самым снизить вес отдельных трубопроводов.

В этой связи особое значение приобретает решение вопроса изготовления крутоизогнутых участков трубопроводов непосредственно на целой трубе без применения ввариваемых патрубков, толщина стенки которых из соображения равнопрочности применяется больше толщины основной трубы, что приводит к увеличению веса трубопровода.

Развитие производства трубопроводов в ракетной технике характеризуется совокупностью перечисленных требований и повышением прочностных характеристик, применяемых материалов.

В связи с этим одной из актуальных задач является совершенствование технологии многоколенной пространственной гибки труб и разработка новых технологических приемов и оборудования, обеспечивающих качественную гибку трубопроводов с малыми радиусами гиба и гибку труб из трудноде-формируемых малопластичных материалов (06Х15Н6МВФБ-Ш (ВНС-16),

03Х12Н10МТР-ВД (ВНС-25), 03Х12Н10ИТР (ЭП-810, ВМС-25), 12Х18Н10Т-

7

ВД, 07X16Н6 и др.). Решению отдельных задач этой проблемы и посвящена эта работа.

Глава 1. Анализ методов изгиба трубопроводов и состояние вопроса

1.1. Способы гибки труб в холодном состоянии

Выбор того или иного способа гибки зависит от геометрических параметров и физико-механических свойств материала труб, а также от необходимого радиуса гибки. Особенности пустотелой формы поперечного сечения трубы вызывают следующие специфические явления, сопровождающие процесс ее изгиба:

- смещение нейтральной оси и связанное с этим изменение общей длины трубы;

- овализация поперечного сечения трубы;

- потеря устойчивости стенки трубы на внутреннем радиусе гиба (гоф-рообразование);

- утонение стенки трубы на наружном и утолщение на внутреннем радиусах гиба.

Рассмотрим применяемые способы и оборудование для гибки труб с учетом возможностей по устранению перечисленных нежелательных явлений.

По характеру приложения деформирующих усилий могут быть выделены следующие способы гибки труб:

- приложением момента (чистый изгиб);

- приложением момента и поперечных сил;

- приложением момента, поперечного усилия и наложения дополнительного напряжения (растяжения, сжатия, кручения или их сочетания).

Способ гибки труб приложением момента и наложения дополнительного напряжения кручения описан в работе В.А. Корнилова [58].

В реальных технологических процессах гибка приложением момента в

чистом виде практически не применяется. Однако, учитывая то, что в основе

анализа процесса гибки труб, осуществляемых по любой схеме нагружения,

9

лежат положения теории чистого изгиба, рассмотрим кратко особенности этого способа.

При изгибе моментом в стенках трубы возникают напряжения, вызывающие растяжение волокон в наружном и сжатие во внутреннем радиусах гиба. Нейтральная ось при этом смещается в сторону внутреннего радиуса гиба, так как продольные деформации сжимаемых волокон больше деформаций волокон, растягиваемых на внешней части гиба. При гибке тонкостенных труб в условиях, близких к чистому изгибу, отсутствуют остаточные кольцевые деформации, так как стенка трубы под действием напряжений может свободно перемещаться в кольцевом направлении: растянутые волокна укорачиваются, а сжатые - удлиняются.

Поперечное сечение трубы в месте гиба приобретает форму овала. Растягивающие и сжимающие напряжения дают равнодействующие поперечные силы, направленные к оси трубы и вызывающие сплющивание поперечного сечения. Гибка приложением момента может быть осуществлена на специальном лабораторном оборудовании, рассмотрение которого в настоящей работе не приводится ввиду его малой пригодности для производственных процессов.

В таблице 1 описываются основные технологии изготовления гнутых трубчатых деталей.

Таблица 1

Основные технологии гибки труб

Вид гибки трубы

Схема гибки трубы

Примечание

а) гибка труб путем проталкивания через канал матрицы

3 2_ I

/

1 — пуансон;

2 — матрица;

3—кондуктор заготовки

4 - заготовка.

б)гибка в роликах

изменяя зазор между роликами, можно получить различный радиус кривизны.

в) гибка наматыванием на копир

а-со складкодержа-телем;

б-без складкодержа-теля;

наименьший радиус изгиба р=Ъ1.

г) гибка проталкиванием

а - без нагрева; б - с нагревом в узкой зоне.

д) гибка в штампах

в штампе с шарнирной матрицей.

е) гибка гидростатической формовкой и т. д.

При этом утонение стенки на наружном радиусе не превышало 10—12%.

Наибольшее распространение для гибки труб небольшого и среднего диаметра получили станки с поворотной гибочной оправкой, работающие по схеме гибки наматыванием на копир (рисунок 1.1.).

Гибка по этой схеме проходит следующим образом.

Конец трубы закрепляется специальным прижимом в ручье гибочной оправки, профиль которой соответствует наружному диаметру трубы и препятствует искажению внутреннего полусечения кольцевого профиля. Внутрь трубы для предотвращения овальности и потери устойчивости стенок заводится калибрующая оправка (дорн). Снаружи, для предотвращения искажения наружного полусечения кольцевого профиля, устанавливается нажимная колодка, профиль которой также соответствует наружному диаметру трубы.

1 - Гибочная оправка (вращающийся копир)

2 - Нажимная колодка

3 - Калибрующая оправка (дорн)

4 - Труба

5 - Прижим

— 4

Рисунок 1.1. Схема гибки методом наматывания на вращающийся копир При вращении гибочной оправки труба изгибается по радиусу ее ручья. Угол изгиба соответствует углу поворота оправки. Рассмотрим взаимодействие сил при гибке наматыванием. Крутящий момент, приложенный к гибочной оправке, создает нажимное усилие такой величины, что заготовка в зоне деформации плотно зажимается между зажимной колодкой и гибочной оправкой, то есть практически отсутствует плечо гиба. Следовательно, гибка заготовки происходит в основном за счет деформации сдвига.

Трение трубы по калибрующей оправке и нажимной колодке приводит к возникновению сил трения, вызывающих дополнительные тангенциальные растягивающие напряжения в стенках трубы. При этом нейтральная ось еще более приближается к сжатым волокнам. В пределе схема гибки наматывани-

ем на гибочный шаблон с использованием калибрующей оправки приближается к схеме гибки с растяжением.

По сравнению с изгибом моментом при гибке с растяжением в значительной мере уменьшается влияние пружинения на кривизну получаемой детали, вследствие чего повышается точность процесса. Кроме того, возможность создания по всему сечению однородных по знаку растягивающих напряжений исключает образование складок на внутреннем радиусе изгиба.

Вторым способом, близким к гибке методом наматывания на вращающийся копир является метод гибки труб обкаткой. В станках, работающих по схеме гибкой обкаткой, в отличие от предыдущей схемы, гибочный шаблон с закрепленной в нем трубой неподвижен, а гибка происходит за счет движения вокруг гибочного шаблона обкатывающего ролика, который непосредственно или с помощью ползуна прижимает свободный конец трубы к шабло-

Рисунок 1.2. Схема гибки методом обкатки вокруг копира В этой схеме отсутствует внутренняя оправка (дорн), а размеры и форма поперечного сечения изогнутого участка трубы определяются размерами и формой ручья гибочного шаблона и обкатывающего ролика (ползуна).

ну.

Р

Исследования показали, что при гибке обкаткой помимо деформаций растяжения и сжатия, вызываемых изгибающим моментом, имеют место деформации сдвига, возникающие из-за смещения наружных слоев трубы (при обкатывании роликом) относительно внутренних (под гибочным шаблоном) в направлении движения обкатывающего ролика.

Нейтральная ось при гибке обкаткой смещается в сторону растянутых волокон, вследствие чего возрастают напряжения сжатия на внутреннем радиусе изгиба и соответственно увеличивается возможность потери устойчивости и образования гофр. Последнее обстоятельство не позволяет применять процесс при гибке малыми относительными радиусами или требует примене