автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Теоретические основы технологии прокатки и калибровки инструмента косовалковых станов для совершенствования производства горячекатаных труб

На правах рукописи

ГОЛУБЧИК Рудольф Михайлович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОКАТКИ И КАЛИБРОВКИ ИНСТРУМЕНТА КОСОВАЛКОВЫХ СТАНОВ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ТРУБ

05.16.05 — «Обработка металлов давлением»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1996

Работа выполнена на кафедре Технологии металлов Московского энергетического института — технического университета

Научный консультант — лауреат Государственных премий, Заслуженный деятель науки и техники РФ, Академик АН Республики Казахстан доктор технических наук, ■профессор П. И. Полухин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, академик АЕН Ю. Ф. Шевакин

доктор технических наук,

профессор Л. П. Коликов

доктор технических наук,

профессор Б. Н. Матвеев

Ведущее предприятие: АО «Первоуральский Новотрубный завод»

Зашита состоится «» 1996 г. в час.

на заседании диссертационного Совета Д 003.15.01 при институте металлургии им. А. А. Байжова РАН по адресу: 117334, Москва В-334, Ленинский проспект, 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан « а >5* ИЮЛЯ_ 1996 года.

Справки по телефону: 135-96-29.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Перспективная программа развития черной металлургии предусматривает улучшение качества и расширение сортамента труб, интенсификацию процессов их производства, разработку и внедрение ресурсосберегающих технологий в первую очередь при изготовлении труб для нефтяной и газовой промышленности, подшипников, атомной энергетики и машиностроения.

Основные цели модернизации отечественной металлургии должны быть достигнуты на базе отечественных научных разработок и отечественного оборудования.

В технологических процессах производства горячедеформирован-ных труб важное место занимает винтовая прокатка. В станах винтовой прокатки осуществляется прошивка заготовок, раскатка стенки и формирование окончательных размеров проката. Работа этих станов в значительной мере определяет сортамент, качество поверхности и точность размеров проката, стабильность работы агрегатов и их производительность. Роль винтовой прокатки существенно возрастает при изготовлении труб из высоколегированных сталей и сплавов, когда прошиваемость металла, стойкость технологического инструмента, конструкции и параметры настройки станов и калибровки инструмента определяют принципиальную возможность получения готовой продукции.

В связи с этим при создании прогрессивных технологий производства труб высокого качества одна из первоочередных проблем заключается в разработке эффективных методов расчета параметров циклического формоизменения с учетом сложного напряженного состояния при реализуемых на практике внешних силовых воздействиях технологического инструмента станов винтовой прокатки на деформируемую заготовку, а также создание новых технических решений, направленных на повышение точности труб, снижение расхода металла, уменьшение поверхностных дефектов.

Цель работы. Развитие теории и методов расчета параметров циклического формоизменения при винтовой прокатке;научное обоснование и создание новых методов расчета режимов прокатки при производстве труб, новых калибровок инструмента и их практическая реализация на трубопрокатных агрегатах с косовалковыми станами для уменьшения расхода металла, повышения качества и расширения сортамента продукции, увеличение ее выпуска при минимальных капиталовложениях ,

Для достижения указанной цели применительно к процессам винтовой прокатки решались следующие основные задачи:

а) анализ силового взаимодействия всего технологического инструмента с деформируемой заготовкой и исследование напряженного состояния;

б) разработка комплексной математической модели с определением различных параметров циклического процесса формоизменения при винтовом движения заготовки;

в) проведение многоплановых экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях;

г) внедрение разработанных рекомендаций в производство. Научная новизна. Разработан комплекс решений и проведено

теоретическое обобщение основных положений технологии прокатки в косовалковых станах применительно к процессам прокатки, прошивки, раскатки, обкатки и калибровки.

Новизна научных результатов заключается:

- в постановке и разработке раздела теории винтовой прокатки -циклического деформирования металла при его винтовом движении,

обобщающего результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных «втором, а также накопленных в отечественной и зарубежной литературе;

- в постановке и осуществлении многоплановых исследований напря-

- b -

женного состояния, позволивших установить влияние направляющего инструмента, оправки, числа валков и характера их расположения на распределение напряжений по сечение заготовки и по длине очага деформации и разработать рэкокзвдапии, направленные на уменьшение склонности it образованию поверхностных дефектов;

- в теоретических рзтанаях, позволявших аналитически при калщом цикле доформроватш с достаточной точностью определять геометрические характеристики очага деформации, размеры контактной поверхности (сирину и длину~аг подачи, коэффициенты деформации по трем осет, степень, скорость и сопротивлению деформации по контактной поверхности, в осевой зоне и средние значения по поперечному сечению, зрвмя деформации и "динакичэсхой" рекристаллизации;

- в новых экспериментальных зависимостях силовых, деформационных и скоростных показателей процесса от настройки и характеристик лабораторных и прог.алзленних станов, позволивших проверить и уточнить существущие методы расчета знергосиловых, деформапион-!Шх и скоростных параметров процессов винтовой прокатки;

- в разработке новых методов расчета и оценки режимов прокатки я сменного инструмента, новых технических решений (способы прокатки, прошивки, настройки, валки, оправки и линейки^.

Практическая значимость■ Научные разработки диссертации и технические решения направлега на создание и развитие различных способов повышения качества труб в соответствии с нездународными стандартами, экономии металла. Они включают новые и усоверсзнствован-нке технологические р-зг.кж прокатки труб из углеродистых, легированных и гнсокологировакшх стелсП.

Созданные технологические реяииы и инструмент обеспечили снижение расхода металла при производстве труб, повышение точности геок-зтрических размеров, сгошение поверхностных дефектов.

Промышленные разработки и их реализация выполнены в соответствии с Постановлением Совмина СССР от 23 января 1978 г. № 60, целевой программой ОЦ 027, утверященной ГК СССР по новой технике, Госпланом и АН СССР от 12Л2.80 г. № 474 /250/132, утвержденной Госкомобразования СССР от 58.08.86 г. (№ 599) научно-технической программой "Металл".

В диссертации осуществлено теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение,- разработка научных основ эффективных процессов винтовой прокатки и создание прогрессивных металлосберегающих технологий производства труб на базе этих процессов.

Результаты исследований, изложенные в монографии, учебных пособиях, алгоритмах и программах расчетов на ЭВМ, применяются в учебном процессе в МЭИ, МИСиС и ДМетИ.

Реализация результатов в промышленности. Результаты теоретических исследований и обобщений явились научной основой технологических решений, внедренных в производство. Основные выводы теоретических и экспериментальных исследований процессов винтовой прокатки, методы расчета режимов деформации и калибровки инструмента косовалковых станов внедрены в производство и используются в научно-исследовательных и проектно-конструкторских разработках.

В частности, в условиях:

- Первоуральского Новотрубного завода внедрены новые режимы прокатки труб из углеродистых и нержавеющих сталей, оправки для прошивки заготовок для ТПА 140-1 и 220, калибровки валков трех-валкового раскатного стана ТПА 160 и дискового прошивного стана ТПА *40-3, новый способ винтовой прокатки на прошивном стане ТПА 160;

- Никопольского Ежнотрубного завода внедрена калибровка валков и оправок обкатных станов ТПА 350;

- у -

- Нижнеднепровского трубного завода им. К.Либкнехта предложены калибровки валков раскатного и калибровочного станов ТПА 200;

- Волжского трубного завода предложены таблицы прокатки для ГПА 200.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены, обсуждены 1 одобрены на:

- Всесоюзных научно-технических конференциях: 'Теоретические проблекы прокатного производства" - Днепропетровск, [972, 1980 и 1988 гг.; "Применение ЭВМ в металлургии" - Москва, [973 г.; "Инженерные методы расчета технологических процессов обработки металлов давлением" - Свердловск, 1963 г.; У межвузовской конференции по поляризационно-оптическому методу исследования напряжений - Ленинград, 1965 г.; "Современные достижения и -гроблеиы прокатного производства" - Челябинск, -1970 г.; "Повыше-тае технического уровня производства и улучшение качества труб" -Днепропетровск, Í988 г.;

- международных семинарах по трубному производству в г.Дрез-цене (ГДР), 1976 г., в г.Ризе (ГДР), Í989 г.;

- мевдународной 7-й конференции "История и будущее бесшовных стальных труб" - Карловы Вары, 1990 г.;

- всесоюзных семиварах "Деформируемость и качество" - Урал, [980 и i982 гг.;

- научных семинарах НИСиС, ДОетИ, ИЭИ, УралНИГИ, Гипромез с 1970 по 4994 гг.;

- технических Советах и ЦЗЛ ПНТЗ, DT3, ВТЗ, PLÍ3 и завода т. К.Либкнехта с Í968 по *994 года.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в монографии, брошюре, двух учебных пособиях, 54 статьях; технические решения защищены 10 авторскими свидетельствами на изобретения.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных выводов и рекомендаций и изложена на 307 листах (196 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 22 таблицы). Список использованных источников включает 224 наименования.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- теоретическое обобщение и анализ силового взаимодействия инструмента с деформируемой заготовкой, выявление методов исследования и оптимизации процесса бинтовой прокатки;

- разработка, обоснование и выбор теоретических методов расчета основных параметров при циклическом формоизменении деформируемой заготовки в косовалковых станах;

- выявленные закономерности процессов поперечной и винтовой прокатки, полученные на основании исследование напряженного состояния, физические и математические модели, предложенные автором для описания взаимодействия металла с инструментом при винтовой дяижйиии заготовки в очаго деформации;

- развитие общей феноменологической теории деформируемости без разрушения В.Л.Колмогорова - А.А.Богатова применительно к процессу,прокатки и прошивки заготовок в косовалковых станах;

- результаты экспериментальных исследований на лабораторных и промышленных станах трубных заводов РФ и Украины;

- установленные закономерности циклического формоизменения заготовки в зависимости от настройки етана, фарш валков и оправок, диаметра исходной заготовки, размеров готовых ¥руб и других факторов;

- новые подходы для оценки и расчета режимов прокатки, обеспечивающие повышение точности продукции, уменьшение расхода металла и увеличение производительности станов;

- разработанные новые способы настройки станов, прокатки и проЕивки заготовок, новые калибровки валков, оправок и линеек.

содешанш: рдшта вввднив

При производстве одти и ?зх яе размеров труб ка однотипных трубопрокатных установках таблип..' прокатки кнеют отличия, которые на всегда моено объяснить только различиям в характеристике оборудования и.тл з пар&г.'отргх кястройг.!.

Одной из основных причин таких различий является применяемая иэтодика расчета, осногсгагая только ка парг^этрах кона-¡ного фор-ыоизыенешя и не учятез«ащая история достижения этих парвкет-роз при зпггтозсм двикешгл заголовки по длило очага дафорнащя.

Ранее nuno.TriciS.Tio киогочпслзгзгно исследования процессов винтовой прокатки не позволяли перейдя я расчету дзипения цнкличес-яи депортируемой заготовки и опредэлять совместно взаимосвязанно энзргосилогуэ, дгг~рр.;з}2Ю1~пэ и скоростные парааетрв для раздипгих кссовалковпх станов.

В связи с пирским испольсовагизл косовалковых станов в производстве труб представляет гчггорос разработка методологии, позволявшей выявлять розор~ы сосер-змстпованнг и оптимизация процессов и основанной на кспользогакии особенностей циклического дефорнкрованчя.

В дкссэрташга рассмотрены вопросы теория винтовой прокатки, папрчзлекнке ка сосэргзнствоветго технологии процессов и калибровки технологического кнетрукзнтд, проведена экспериментальная проверка отдолышх теоретических рзаэниИ, разработаны ковне ро-хкгм п инструмент, внедренкыэ на различных трубопрокатных агрегатах.

Диссертация представляет собой обобщение научных результатов, получениях автором с 1264 по 1535 годы и опубликованных ии в книгах, научнлх статьях и изобратвниях.

При постановке и выполнении исследований автор использовал основополагающие труды по теории прокатки, теории пластичности, теории и технологии трубного производства известных ученых П.Т.Емельяненко, А.И.Целикова, И.М.Павлова, А.П.Чекмарева, В.С.Сми нова, П.И.Полухина. П.К.Тетерина, Ю.Ы.Ыатвеева, О.А.Пляцковского, И.А.Фомичева, Ю.Ф.Шевакина, В.Я.Осадчего, И.Н.Потапова, В.К.Воронцова, Г.Я.Г^на, В.Л.Колмогорова, А.А.Богатова, Ю.И.Блинова, В.М.Друяна, М.И.Ханина, А.П.Коликова, Б.Н.Матвеева, а также ученых производственников В.Ф.Рябова, Г.И.Хаустова, И.Ю.Коробочкина, Н.С.Кирвалидзе, Е.Д.Клемперта, Ю.А.Медникова, В.Н.Умеренкова.

При проведении экспериментальных исследований и внедрении разработок в промышленность, в практику работы научно-исследо-вательских подразделений и в учебный процесс большую помощь автору оказали работники соответствующих предприятий и вузов, что отмечено в публикациях.

I. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА С ЗАГОТОВКОЙ НА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ

Для анализа воздействия инструмента на деформируемую заготовку использовано понятие минимальное технической системы, представляемой полным веполем в виде взаимодействия двух веществ с участием подводимых полей. Такой подход позволил прогнозировать пути интенсификации процесса деформации.

Для описания взаимодействия использована методика П.К.Тетерина, основанная на последовательном переходе от одной основной системы координат, составляющие усилий в которой заданы, к другой системе координат , усилия в которой являются неизвестными.

Применение указанной методики для анализа условий взаимодействия металла с технологическим инструментом (рис. I) позволяет

- и -

значительно расширить круг решаемых задач, поставленных в теоретических или экспериментальных исследованиях для изучения си-лпвнх пярнмптрол. Рпшонив укапанных япдпч имопт бильшпо значении

Схемы действия сил на заготовку (а) и на инструмент (б) в калибре стана винтовой прокатки

для определения граничных условий и устойчивости процесса, оценки прочностных возможностей узлов стана, прогнозирования возможной интенсификации процесса и теоретического обоснования постановки экспериментальных исследований.

В большинстве указанных задач контактные напряжения 1., • р^ выбраны в качестве заданных, что не является случайным.

у

Они определяются расчетным путем или экспериментально. Учитывая, что контактные напряжения и составляющие полного давления металла

на инструмент могут бить измерены одновременно в условиях опытов, то решение подобных задач позволит оценить точность экспериментов.

Рассмотрим некоторые из конкретных задач. Соотношения между усилиями , Ту , и Pg , Р^ , Pg после нахождения связи ыезду координатами ОС , у. , £ иХ , Y , Z и преобразований имеют вид

Px=(sin f- COSu) Sinß+CQS(f>-CO sd -cosß -sin (/> SÙluD •sind-cosß)'^

+(scncü sinß +cosuD-SLnoi-cosß)l?+(cosy-costö •sinß -

€

~Sin(/>-COSo(-COsß-COS(f-5LnCÜ-SLnjoC-COSß)pz , (l)

P~~(~C0Sif-SÙwi-SLtly -sin.(JÛ ■ СО$оС)Т^+СО$иО-№бСТ*+

*(Sin(/-Sth.oL-COSy-Sintü-COSoi)p% f (2)

pL =(sin (p ■ CO Sei) COSß -COSlf CO Soi -sinß +

■tSLtLif-SÜb(JÜ -sind. Stuß)Z^(sinCO-cosß --COScO-SitloC ■ Slnß)Ty+(COS</>-COSOL>-COSß + SltUf'-COSd-SLnß +COS(f-SinOÜ -Sinai-sinß)p* , (Jj

где d- , ß - углы подачи и раскатки;

У - угол конусности валка; (р qJ - углы меркдианальгтэ сечения по заготовке и валку.

Из выражений (i) - (3) при cL ~ О, ß • О, (f - О (поперечная прокатка) получим выражения для проекций равнодействующих усилий на оси у и Z. , аналогичные формулам И.М.Павлова для случая продольной прокатки.

Для стана с бочковидными валками ( j3 » 0) из уравнения (3^ следует, что усилие Pz(l) ' яам0Рявмое меедозами, установленными под нажимными винтами, зависит от углов конусности у

валка и Q? , определяемого частный обжатиям. Угол cL в свяли с выбра1шши системами координат ко входит з значения направляющих покянусов; его влияние сказывается на изменения контактных напряжений.

По формулам (1) - (3) проподои раачет составляющих усилий. В качестве экспериментальных денных для сопоставления использованы результаты исследований Н.Н.Потапова. С учэтом принятой кэ-тодпки суннировакил усилий, действующих на контактной поверхности, получана удовлетворительная для практики точность совпадения расчэтких к вкснвримвнтальких данных (ошибка составляет Ö-li-TS).

В качестве примера определим возможность интенсификации процесса пропивкн за счет воздействия на оправку. Выражения для составляющих усилий со стороны оправки на металл киэвт вид

Q™p=C0S(foC0S&° Tl +sin tp'pl , (4)

-sin if°cQS(pa- cosQt°z ± cos<ps<AQi°+süiy°cosf-p0z; (5)

q^SLnfCQSfC0sQV^SmfsiAQY/CQSilJ4QS^poz ; (б)

где Q - угол отклонения вектора силы трения, действующей со стороны оправки на кэталл.

Угол в определяется через углы отклонения: от оси прошивки вектора скорости относительного скольжения металла по оправке (угол сЕ° ), от тангенциального направления векторов скорости металла по валку ß^ и оправко (связь нэдцу углакнJbM

и Ji^ найдена П.К.Теториным) и коэффициенты тангенциальной скорости металла по валку ^ и оправки по металлу ¿Г, =

9 У ff

Уравнение (4) - (6) справодливы для обцего случая проиивки. Верхние знаки относятся к случаю 4, нижние - к случаю

1. Из формул (4) и (6) мояно получить известные ре ¡гения

для частных случаев. Если в выражении (5) принять Ц/° = 0, то получим формулу Я.С.Финкельштейна. При О => О первое слагаемое в уравнении (4) будет являться осевой составляющей силы трения

о

для случая свободного вращения оправки (П.К.Тетерин) при £ = 1.

Дополнительный подвод энергии к инструменту вызывает отклоне-

попр

ние вектора силы Цх , уменьшая скольжение металла относительно валка в осевом направлении и повивая осевую составляющую скоро -сти прошивки. Проведенные по формуле (4) расчеты подтверждают эффективность подвода дополнительной энергии к инструменту для интенсификации процесса прошивки.

2. РАЗРАБОТКА, ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССОВ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

Положения валков относительно оси заготовки в конструкциях косовалковых станов сведены в каноническое положение через параметры скрещивания осей валка и заготовки ( 6 - угол, С? - расстояние) В качестве известных величин приняты конструктивные параметры ( с< , А и (0 - диаметр валка в пережиме). При заданном сортаменте заготовок к известным относится и отношение I » о^/Ю , где с1 - диаметр заготовки. Рассмотрены косовалковые станы с Ю » 600 120© мм при I «0,1 *• I. Для дисковых станов, (+85 град) эксцентриситет принимали ?ашш образом, чтобы получить углы оС , соответствующие станам других типов.

Для удобства анализа результаты расчета представлены на факторных плоскостях 6-а/Ю и25/Э-%)(рис. 2), где Zs координаты расположения пережима валка относительно точки его поворота. Существующие станы I. 1У оставили "свободные" поля на факторных плоскостях. Пространство под кривой I не представляет интереса, так как там с{ < 8 град. Другие свободные поля представляют интерес в зависимости от технологических задач. Например, кзаду областями

I и П расположен планетарный косовалковый стан, разработанный в фрг, в области |У выше кривых 2' для соответствующих значений I Ко гут быть расположены (Ьчкавндкш гтаки п г* 1Б г,«д.

Зависимость угла <Г (а) и положение точки кратчайшего

расстояния (б) от относвиия (X/¿0 Е ¡рад

45

го

8 !5

!'

н 117 :7\>

1 2 3|*

о./ а,г о,> о,1/ 45 а,7 01 4» / о/^

о/ гг «V о,е о,7 * ¡2^

Н 4*0.Р' О

Рис. 2.

Использованный подход позволил реаить рад обратных геометрических задач винтовой прокатки в то« числе и для дискового прошв-ного стана.

Один из методов определения параметров циклического формоизменения основан на вычислении объеш ПОДачк шталла на выходе из очага деформации за время одного цикла. Шаг подачи найден из условия равенства объеиа металла ыезду сечениями, отстоящими на шаг подачи, объеиу подачи в выходном сечении.

При расчетах для конкретного стана решение геометрической задачи с учетом расположения всего технологического инструмента позволило найти значения фактического угла конусности и

радиус деформируемой заготовки, ее овализацию в любом сечении.

Для расчета накопленной деформации на кездоы шаге подачи определяли составляющие истинной деформации в радиальном

* нар х-5 йн я-в

где х и X - Б - сечения, отстоящие на ваг подачи;

/ 1 е ~ наружный и внутренний радиус заготовки в

нар) он

рассматриваемых сечениях,

в продольном

где Г - площадь поперечного сечения заготовки, определяемая через известные радиус и коэффициент авализации, и в тангенциальном направлениях. Для расчета последней составляющей использовали условие несжимаемости.

При вычислении интенсивности скоростей деформации сдвига необходимо знать время деформирования, которое определяли через отношение ширины контактной поверхности к окружной скорости заготовки Цу. . Далее определяли накопленную на «иге подачи деформацию и суммарную степень деформации сдвига ,

Для более точного определения накопленной деформации предложены выражения для определения вага подачи, единичного обжатия и ширины контактной поверхности.

При нахождении шага подачи по длине очага деформации производится определение геометрических параметров, коэффициента ова-

лизании, площади поперечных сечений, что позволяет получить изменение вытяжки. При известном законе изменения вытяжки вдоль очага деформации и использовании ЭВМ нахождение шага подачи не представляет трудностей.

При определении единичного обжатия использовали выражение П.Т.Еиельянекко

где - кинематическое частное обжатие, определяемое калибровкой валков и шагом подачи; - дополнительное обжатие за счет овализации заготовки.

Однако при определении необходимо учитывать влияние

дополнительного осевого перемещения заготовки за время деформации. Это дополнение может быть вычислено по формуле

(2 ч)С

гЩЩ

[п

-и)

(9)

где С ¡17и - направляющие косинусы окружной скорости валка, опрпдоляямые по формулам П.К.Тетерина; р - коэффициенты осевой и тангенциальной скорости;

- угол контакта баз учета осевого перемещения. Дополнительное обжатие Л 2 вызывает изменение шага подачк

на величину

=

¿2

($0)

Разчеты по формула (9) показали, что в зависимости от параметров прошсса доля Л 2 составляет 3-10% от слагаемого а формуле (8). Приращение шага подачи Л Я по выражению (?0) изменяет общее число шагов подачи. Например, до носка оправки это изменение может составлять 0,8-1,5 цикла, что необходимо учитывать при суммировании значений .

Ширина контактной поверхности, определяемая обычно по формуле

Грубера-Целикова и предложенная для поперечной прокатки, не учитывает овализацию заготовки и приращение обжатия ЛЕ .

Сравнение с экспериментальными данными А.И.Целикова -Н.Д.Ломакина показало, что погрешность предложенных в данной работе формул составила 2,8 - 9,6%, а уточненной форцулы А.И.Целикова 10 - 33,

Для плоского сечения среднею по деформируемому объему скорость деформации с использованием выражения удельного секундного смещения объема определяли по выражению

ОА, [р*<иг-б>]Й.

где и - окружная скорость валка;

6в - расчетная толщина стенки с учетом утолщения за счет редуцирования; - относительное обжатие и коэффициент вытяжки. При прокатке сплошного тела, когда пластическая деформация проникает в центр заготовки,р » 0, &а = £ £ , а при наличии упругого ядра р = О. .

По длине дуги захвата и при условии плоского течения распределение средней скорости деформации определяется выражением

с _ с _ь и• ¿[О+ОшамМ + О-^'пц; 0~ (т КГГГ. ч ,1 г., ~ г1-

9 [2 (1 -С05со)+¿1 [¿(2ч)-2(Ы)ты+2 [''й^ х;

Осредненное значение £ по дуге захвата определяется как средняя интегральная величина путем интегрирования (12).

Время контакта рассматриваемой точки с валком (время деформа ции) определяли по выражению

иг)

V

2й

и-?т-ти1

(2 + 0-С рг

-а).

(13)

Разность между временем цикла и

-у » условно названная временем рекристаллизации Ър , за которое рассматриваемая точка, выйдя из контакта с одним валком, перемещается по винтовой линии к другому валку, составляет

1ря +

" Т «'¿и-Ч^

где- среднеинтегральяая вытяжка на рассматриваемом участке и шаг подачи. В формуле (14) верхние и низшие знаки означают конуса про-пивки и раскатки соответственно. С учетом выражений (13) и (-14) результативная степень деформация точек, лежащих на поверхности

(14)

и в центре заготовок, мовет быть найдена по выражениям

// т средняя обобщенная скорость деформации, определяе-

С' 1 с

мая как 2 Сд по формулам (И) и (12).

Выражения (15) и (16) использовали при определении степени использования ресурса пластичности (СИРП) или трещиноватости по теории В.Л.Колмогорова-А.А.Богатова. Для уточнения расчетов был предложен коэффициент несоответствия условий исследуеиого процесса и условий, при которых построена диаграмка пластичности. Этот коэффициент

Е = ЯД, выражен через структурно-чувствительные характеристики - сопротивления деформации, которые определяли с использованием положений теории ползучести по методике В.С.Баакашвили.

(15)

(16)

где

Величина погрешности при определении Ц/ без учета коэффициента несоответствия Е в отдельных случаях винтовой прокатки может доходить по 20%.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАДАЧ ТРУБНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЫ МЕТОДОМ

Для исследования использовали метод фотоупругости на круг-дых плоских (сплошных или полых) дисках, метод объемной фотоупругости ("замораживания") на частном примере нагружения заготовки косорасположенныки валкаки (рис. 3, а,б), метод оптически-чувствительных покрытий на образцах, соответствущих различным сечениям очага деформации стана винтовой прокатки (рис. 3,в), метод плоской фотоупругости для исследования контактных напряжений при поперечной (рис. 3,г) и винтовой прокатке.

С использованием метода фотоупругости исследовано напряженное состояние в стане со смещенной осью, оценено влияние центровочного отверстия и его смещения относительно оси заготовки, различного числа рабочих валков, направляющего инструмента на напряженное состояние.

Результаты расшифровки полученных картин при нагружении объемной модели заготовки (см. рис. 3,а,б)) позволили качественно выявить основные принципиальные закономерности напряженного состояния по оси заготовки. Установлено, что в центральной области очага деформации в осевой зоне действует разноименная схема напряженного состояния с растягивающими напряжениями в продольном и поперечном направлениях и сжимающими напряжениями в направлении действующих усилий.

Методом оптически-чувствительных покрытий исследовано напряженное состояние металла в конусе прошивки (сжатие диска двумя силами), в конусе раскатки (сжатие кольца с оправкой) и на ка-

- -■

Схема нагружеиия объемной модели (а), эпюры напряжений вдоль оси заготовки (б), схема очага деформации (разрез по валку и линейке) при прошивке (в) с поперечными сечениями и общий вид универсального стана поперечной прокатки (г)

I - рама; 2 - плита;

3 - направляющие;

4 - обойма для установки инструмента; 5 - шарнирные муфты; 6 - нажимной узел; 7 - валки

Рис. 3.

В

либрующем участке (сжатие кольца без оправки). Использование таких же образцов-дисков на стане поперечной прокатки (см.рис. 3,г) позволило определить глубину пластической деформации в зависимости от диаметра заготовки и обжатия и действия направляющего инструмента.

Использование направляющего инструмента, не изменяющего качественно схему напряженного состояния, уменьшает размах напряжений, снижает действующие напряжения, повышает разрушающие напряжения и резерв прочностных свойств. При атом уменьшается склонность к разрушению: тем интенсивнее, чем меньше коэффициент ом-лизации. Вывод о влиянии коэффициента ^ , полученный из анализа напряженного состояния, согласуется с данными практики.

Таким образом, для повышения пластических свойств материала за счет изменения схемы напряженного состояния необходимо вести процесс до встречи заготовки с носком оправки с увеличенными частными обжатиями и с учетом направляющего инструмента, обеспечивающего небольшую овализацию.

Анализ эпюр контурных напряжений для колец, обжатых на оправке и без оправки показал, что параметрами, позволяющими изменять величину напряжений на внутренней и наружной поверхности гильзы (трубы), являются длина конической части оправки и коэффициент овализации гильзы (трубы) перед выходом ее из очага деформации. Анализ причин образования поверхностных дефектов позволил наметит! пути для совершенствования калибровки оправок при второй прошивке и обкатке.

Для определения коэффициента жесткости схемы напряженного соатояния использовали аналитическое решение о сжатии диска в упруго-пластической постановке, основанное на работах А.А.Ильюшина и И.А.Биргера. Дан анализ двух методов решения подобной задачи: первый метод относится к расчету пластических деформаций с учетом

дополнительных напряжений, возникающих от дополнительных поверхностных и объемных сил, второй метод использует расчет с дополнительными деформациями и носит название метода переменных параметров упругости.

Сопоставление »тих двух методов показало, что сходимость итерационного процесса значительно лучше при использовании второго метода.

При расчетах для реального процесса формоизменения возникают трудности, связанные с упрочнением материала. В связи с этим первоначальное условие текучести наругается. Применение теории наследственности при расчете позволяет учитывать поступательное перемещение поверхности текучести.

Сравнение расчетных данных с результатами, полученными методом оптических покрытий, показало удовлетворительное качественное и количественное соответствие.

В пределах исследованных частных обжатий погрешность по расчету компонентов напряженного состояния не превышает 10%. Например, в интервале частных обжатий 1,8-2,7$ для свинцового диска диаметром 42,5 мм при условии плоского напряженного состояния соотношения между сжимающими б у и растягивающими {?х напряжениями для опытного и расчетного методов составляют ( 1э = = - (1,33 у 1,37) и = - (1,39 г- 1,42). Коэффициенты жесткости схемы напряженного состояния Кж = - (0»17 0,11) и Кж= - (0,2 {- 0,15).

Проведенные с участием автора исследования напряженного состояния при винтовой прокатке 'составных образцов с координатной сеткой с использованием разработанного П.И.Полухиным, В.К.Воронцовым и В.А.Белевитиным КЭЛ-метода позволили найти значения Им по длине очага деформации в зависимости от обжатий. Полученные данные более точно выявили границы изменения Я и условия, при

которых допустимо принимать К » . что МОЖЯТ пнпчитпль

* /а

но упростить сопоставительный анализ режимов формоизменения при винтовой прокатке.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

В связи со сложностью проведения комплексных исследований в промышленных условиях широкая серия экспериментов была проведена на лабораторном стане ПНТЗ. Для переноса результатов на действующие станы необходимо, чтобы были выполнены условия подобия. Геометрическое подобие обеспечивалось выбором размеров заготовки-гильзы и настройкой лабораторного стана с тем, чтобы удовлетворить критериям промышленного стана. Например, отношение диаметра заготовки (/у к диаметру валка в пережиме Ю$п , и диаметра гильзы о(г к толщине стенки гильзы составляли 0,15/0,18 и 8,0/7,76 (в числителе - лабораторный стан ПНТЗ, в знаменателе прошивной стан ТПА 350 ШИЗ).

Кинематическое подобие удалось удовлетворить в том смысле, что коэффициенты осевой скорости в сечении выхода гильзы отличались незначительно (3%).

На лабораторном стане измеряли энергосиловые, кинематические и деформационные параметры. Изменяли углы входного (2°30', 3°30', 4°30') и выходного (3°30', 4°30', 5°30') конуса валков, угол подачи (5; 7; 9°), обжатие в пережиме и перед носком оправки.

Давление металла на валки и оправку, крутящий момент, скорость вращения валков фиксировали осциллографом Н - 700. Коэффициенты осевой скорости определяли по нетоду керновых отпечатков И.М.Павлова, широко использованному для процесса прошивки О.А.Пляцковским. Прокатываемые и прошиваемые заготовки тормозили в стане и на охлажденных недокатах определяли фактическую настройку стана, кинематические параметры, параметры формоизменения

- гь -

и разрушения. Коэффициенты овализации и вытяжки определяли непосредственным обмером заторможенных и разрезанных недокатов. Условия разрушения характеризовали величиной предельной степени деформации А р . Разрушение выявляли после разрезки заготовки вдоль и поперек оси прокатки.

При прокатке на прошаленном стане изменяли угол входного конуса валка (3°30' и 4°3©') и угол подачи (6 »- 9°). Обжатие перед носком оправки (4,5 t- 11%) выбирали исходя из условий надежного вторичного захвата и различного резерва пластических свойств материала. Заготовки диаметром 189 км прошивали в гильзы 194 х 25 мн с торможением на каждой настройке. При обмере недокатов определяли фактическую настройку стана, коэффициенты овализации и вытяжки, иирину контактной поверхности.

Рассмотренная серия экспериментов позволила получить зависимости измеряемых параметров от различных факторов процесса и проверить корректность предложенных формул и обоснованность принятых гипотез и допущений.

Например, опытные значения ширины контактной поверхности в сеченияхочага дефораации, отстоящих одно от другого на расстоянии вага подачи, отличались от расчетных значений на 5-12%, а общие значения контактной поверхности на 4-7,Значения шага подачи, расчнтанные по предложенным выражениям н измеренные на недокатах, отличались не более чем на 8%.

При исследовании существующих и разработанных в данной работе режимов были проведены экспериментальные исследования или опытные прокатки на различных косовалковых прокыаненных станах ТПА 350 ВИЗ, ТПА 140-1, 160 и 229 ПНТЗ, ТПА 140 СТЗ.

< 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОШИВКИ ЗАГОТОВОК

Все параметры, характеризующие процесс винтовой прокатки, являющийся системой со сложным взаимодействием технологического инструмента с деформируемым металлом, можно разбить на три группы: внешние факторы, внутренние факторы и критерии оптимизации или целевые функции.

В зависимости от типа решаемых задач среди внешних факторов можно ввделить практически постоянные, определяемые техническими характеристиками косовалкового стана, меняющиеся незначительно (например размеры заготовки - гильзы при прошивке) и варьируемые.

Внутренние характеристики можно разделить на кинематические, деформационные, энергосиловые и параметры напряженного состояния.

В качестве целевых функций могут быть следующие группы параметров:

1) проверочные (условия захвата, давление на инструмент, требуемая мощность);

2) качественные, экономические и технологические (повышение резерва пластических свойств материала, машинное время, удельный расход энергии, снижение себестоимости на переделе и др.).

В качестве одного из параметров качества принимали отношение предельной степени деформации Лр к результативной, накопленной материальной частицей до носка оправки Аг . Сравнение Лр и А возможно при сопоставимых значениях ¡{ . Поэтоцу в

* Ж

программе расчетов предусмотрено определение сопротивления деформации, контактных напряжений и напряженного состояния через параметры циклического формоизменения.

В связи со сложностью составления общего алгоритма, большим

числом ограничений и логических переходов использован вариант поэтапной (блочной) реализации. Блоки - подпрограммы входят как составные части в общую блок-схецу.

Разработанная математическая модель была использована при исследовании процесса прошивки заготовок на лабораторном прошивном стане, прошивных станах ТПА 350 СИЗ, ТПА 140 и 220 ПНТЗ.

Получено изменение коэффициента жесткости схемы напряженного состояния Кж по длине очага деформации, а также его зависимость от параметров настройки. Выявлены факторы, которые повышают единичные обжатия я снижают значения Км . Подобные зависимости ранее были получены В.К.Воронцовым и И.Н.Потаповым при оценке влияния угла подачи. Показана возможность в некоторых случаях принимать значения Им 3 С0/75? , что позволяет сравнивать режимы винтовой прокатки только по величине накопленной деформации Л ^ - параметру Одквиста.

Подробно рассмотрено влияние углов подачи с< и конусности валков и , обаатия Цв перед ноской оправки, диамет-

ров заготовки и коэффициента осевой скорости ^ на шаг подачи и единичные обжатия, число циклов заготовки до носка оправки.

Подобный характер зависимостей шага подачи и единичного обжатия от угла подачи получен И.Н.Потаповым, Б.А.Романцевым и др.

По разработанное алгоритму были определены значения накопленной деформации и степени использования ресурса пластичности, что позволило оценить влияние и взаимосвязь различных факторов в процессе формоизменения. Показано, что для уменьшения (р , влияющего на склонность к образованию внутренних плён, целесообразно снижать обжатие перед носком оправки £/„ коэффициент овализации £ и повыиать диаметр заготовки , углы подачи <X. и конусности валков у? , . Подобный характер зависимости

качества гильз от ио , £ , <?( и согласуется с общепринятыми представлениями.

Для прошивного стана выявлена значимость факторов для различных участков очага деформации. Показано, что по степени влияния на /1 рад факторов может быть представлен в виде: до носка оправки - ; ; ; 5Г ; , до пережима валков -; ; Ю^ ; I? ; . В общем виде полученные отличия могут быть объяснены суммарным влиянием формы "калибра" на зтих участках.

При обжатии сплокной заготовки в косовалковом стане сопоставлено влияние обжатия по диаметру Ц^ и углов р< и ^ .

Полученный характер зависимостей Ах от ¿X и иг подтверждается аналогичными данными И.Н.Потапова и др.При встречающихся на практике ограничениях по изменению <А и у? уменьшение или увеличение Ц^ позволит в нужном направлении влиять на значения /\. в зависимости от пластичности используемых заготовок.

По аналогии с продольной прокаткой параметр очага деформации характеризуется отношением (где 6 - ширина контактной

поверхности), которое имеет вид

-^1/1*1 » 1 (17)

где <5 - обжатие по диаметру, а £ - отношение с/^ /

Для различных прошивных станов были проведены расчеты накопленной до носка оправки А степени деформации при варьировании диаметров валка и заготовки, т.е. отношения £ в выражении (17), и обжатия перед носком оправки в пределах^ встречающихся на практике.

В качестве примера на рис. 4 приведены изолинии А на факторной плоскости /Ю^ и нанесены области существующих

прошивных станов. Отметим, что при использовании слитков значения А (область Д) ниже, чем при использовании предварительно деформированных заготовок (области I и Ж)» что объясняется разным качеством исходного металла.

Изолинии А на факторной плоскости ¿/¿/^ с областями существующих промышленных прошивных станов установок:

зопггвЯки </¿,"1

ев,71 В5,90 №7,3 7Вв,1 14,1 Ш,б 6ч О, О ЮПИ

с автоматическим, непрерывный и трехвалковым раскатным станом (Г); средних и большое (П) и налых (Ш) установок с пилигриыовнми станами

Рис. 4

Характер зависимости А от стратегии изненения ¿ ( ^ =» СШ/ или = С0П8( ) позволяет определить предпосылки для изменения А в нудном направлении: тип прошиваемых заготовок (уровень пластичности, наличие остатков литой структуры для непрерывнолитых заготовок) определяет целесообразный порядок выбора диаметра валков и заготовки перед прокаткой. На ТПА 140 ПНТЗ при пронивке увеличены диаметры заготовок из нержавеющей стали с 90 до 105 ем и валка с 670 до 745 им, что позволило повысить производительность стана на 5^.

Анализ существующих режимов прошивки труб из нержавеющих сталей показал неодинаковые значения накопленной деформации Л до носка оправки, что позволило выявить связь между А и количеством внутренних плен. Разработанные режимы прошивки заготовок диаметром 120-160 мм для производства тонкостенных и толстостенных труб диаметром 121, 133 и 159 мм отличаются пониженными значениями Л до носка оправки: склонность к образованию внутренних плен уменьшилась.

6. СОВКШННСТВОВАНИК ПРОИЗВОДСТВА ТРУБ НА ТПА С АВТОМАТИЧЕСКИМ РАСКАТНЫМ СТАНОМ

Существующие методы расчета таблиц прокатки на различных трубопрокатных агрегатах основаны на использовании упрощенных зависимостей, что вынуждает при прокатке вносить различные уточнения в настройку станов, кроме того применяемые диаметр» исходных заготовок не всегда являются достаточно обоснованными.

Разработанные методы составления рациональных таблиц прокатки учитывают фактическую форму "калибра" и режим циклического формоизменения в прошивном стане, что позволило обосновать выбор диаметра исходной заготовки, уточнить установку стержня с оправкой, определить расстояния между валками и линейками, обеспечивающими более точные геометрические размеры получаемых гильз.

Определение площади трубы с учетом выпусков после раскатки гильзы в автоматическом стане позволило более точно контролировать длицу трубы, и обоснованно выбирать диаметр оправки в обкатном косовалковом стане.

В качестве примера укажем, что для ТПА 140 ПНТЗ при производстве трубы 102 х 9 мм обосновано увеличение диаметра заготовки до 110 мм. Выявлена возможность получения одного и того же размера труб из заготовок разного диаметр« при использовании существующей

калибровки валков автоматического раскатного стана.

Для всего сортамента ТПЛ 140 с валковым прошивным станом и ТПА 22О ПНТЗ были рассчитаны таблицы прокатки при производстве труб из углеродистых и высоколегированных сталей.

7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ШСТРУШНТ КЭСОВАЖ0ВЫХ СТАНОВ И ВНЕДРЕНИЕ ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОЫЩЦАЦИЙ В ПРОИЗВОДСТВО

Рабочие валки. Предложен технологический инструмент, который отличается осевым смещениен деформирующих гребней на одном валке по сравнению с их расположением на другом валке. Длина участка валка с гребнями составляет не менее

е - ^(15^25)6 Чл „А-—) (58)

ьм.гр- п \7'й • сотЬтру т )'

где п - количество рабочих валков;

П1 - количество гребней на одном валке;

6 - расстояние от оси симметрии стана до поверхности валков на участка пережима.

В выражении (18) численный коэффициент при прокатке сплошных заготовок возрастает при уменьшении вытяжки, увеличении обжатия на участке гребней, повывении ковффициента осевой скорости, возрастании диаметра валков к участку пережима.

Для дискового прошивного стана ТПА 140 ПНТЗ разработана калибровка валков, позволяющая исключить искажение оси заготовки по длине очага деформации. Решение основано на результатах рассмотрения обратной геометрической задачи.

Для трехвалкового раскатного стана предложен профиль валка, снабженный дополнительным участком длиной 1,5 ^ 3 высоты гребня с конусностью того ае направления, что и на входном участке. Конусность этого участка на 1 *■ 1,5° меньше, чем на входном участке для валков с увеличивающимся по направлению к гребню диамет-

ром. Для валков, у которых диаметр по направлению к гребню уменьшается, конусность дополнительного участка больше конусности входного участка.

Применение предложенных валков на ТПА 163 ПНТЗ позволило увеличить скорость при раскатке тонкостенных труб и использовать валки с одной высокой гребня, что уменьшило парк валков и число перевалок, способствовало увеличению стойкости валков и повышению качества наружной поверхности.

Для ТПА 350 ЮТМЗ с участием автора разработана калибровка валков обкатного стана, обеспечивающая лучшее направление трубы в валки, надежное условий захвата, увеличение среднего катающего радиуса за счет увеличения длины цилиндрического участка, повышение протяженности конуса раскатки, обеспечивающего возможность более длительной эксплуатации.

Количество случаев плохого захвата на новых валках снизилось в среднем на 15 * 20%, а сравнение скоростных условий подтвердило целесообразность использования новой калибровки.

Для ТПА 200 завода им.К.Либкнахта было предложено изменить длину н угол конусности калибровочного участка валков раскатного и калибровочного станов.

Оправки. Для прошивных станов выявлено влияние формы и длины рабочей части оправвк не энергосиловые и кинематические параметры процесса. Было установлено положительное влияние на указанные параметры некоторого увеличения длины рабочей части.

Из анализа существующих нормалей оправок было установлено, что рекомендуемые в таблицах прокатки оправки в некоторых случаях не обеспечивают требуемые из условий вторичного захвата и качества поверхности труб обжатия перед носком оправки UQ в обес печением надежных втягивающих усилий со стороны валков, опреде-

ляекых обжатием Цр в перезиме валков. С целью обеспечения требуекых значений Ц и Ц„ был проведен пересмотр таблиц прокатки и нормалей оправак противных станов ПНТЗ и разработаны оправки с удлиненной рабочей частью.

Промышленные прокатки показали повышение скорости пропявки без ухудшен т качества; разработанные нормали были рекомендованы к прокытенному использованию.

Для обкатных станов ТПА 350 ЮП13 была разработана двухконус-ная оправка, что улучшило вторичные условия захвата и скорость обкатки.

Направляющие линейки пробивных станов. Для ТПА 220 ПНТЗ были разработаны, изготовлены и внедрены новые линейки с двухра-диусной желобчатой поверхностью с переменным расположением точек соиряяпиия и отношения длин дуг, образующих поперечное сечение линейки. Использование линеек при производстве труб диаметром 219 мм способствовало уменьшению затекания металла в зазор линейка-валок, снижению скольгення в осевом направлении, повышению скорости прошивки на 10,5% и производительности прошивного стана на 6,255.

Для дискового прошивного стана ТПА 140 ПНТЗ при использовании дисков с новой калибровкой были предложены линейки с измененными размерами профиля боковой поверхности.

8. НОВЫЕ СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ЗАГОТОВОК, НАСТРОЙКИ СТАНОВ И ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

Учитывая отрицательное влияние эксцентричности центровочного отверстия на напряженное состояние, нежелательную концентрацию напряжений при сверлении и наблюдаеное разрушение при выдавливании металла бойком, было предложено дополнительное вращательное движение бойка, снабженного специальными канавками.

Для устранения искажения очага деформации в станах со смещенной осью прокатки на основе разработанных в гл. 2 решений геометрических задач был предложен новый способ настройки.

Для настройки нужно повернуть ось { И + 1)-го валка по сравнению с П. -ш валком на углы подачи и раскатки, таким образом, чтобы

(20)

где

К^агсЬо -^--ачси ■ (21)

С/г I С

В выражении (21) Сп » С и п , Ы - расстояния от осей

П+1 Л ¡1+1

валков до вертикальной и горизонтальной плоскостей.

С использованием выражений (19) и (20) были рассчитаны углы подачи и раскатки ( и Для всех обкатных станов

ПНТЗ. Так как для указанных станов значение

ЛоС = стСл + ,- сСп составляет незначительна величину по сравнению с =» + 1 (^>ля О'» действующие обкатные станы можно подстроить только на величину » что позволит повысить точность труб по тол-

щине стенки.

Из анализа очага деформации косовалкового стана как минимальной технической системы был предложен способ винтовой прокатки, позволяющий учесть неравномерность угловой скорости валков в течение полуоборота. В предложенном способе вращение каждого последующего валка осуществляется с угловой скоростью, наибольшая величина которой смещена относительно наибольшей угловой скорости предыдущего валка на угол 160/ /? , где И - число приводных рабочих валков.

Реализация способа на действующих станах с групповым приводом может быть достигнута за счет механического поворота одного

шпинделя относительного другого ка угол 163/ П . Точность поворота шпинделя зависит от характеристики зубчатого зацепления шестеренной плети и может составлять +0f2°. Анализ экспериментальных данных покаяал, что погрэвяость повороте влимдодд + 5° не оказывает существенного влияния на достиаение поставленной цели.

Специальными экспериментами установлено, что ведение процесса по предлояенноцу способу в условиях опытной прокатки унэньша-ет глубину дефектов, способствует снижению поперечной разносменности . Указанный способ реализован на прошеном стане ТПА 160 ПНТЗ.

Использование рассаотрекпнх способов позволило уменьшить расход металла, повысить точность готовых труб на основе реализации мероприятий, не требующих значительных капитальных затрат.

ОСНОВНЫЕ вывода И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основании анализа силового взаимодействия технологического инструмента (валков, оправки и линеек-роликов) с заготовкой на контактных поверхностях сформулированы возможные задачи изучения силовых параметров процесса винтовой прокатки и определены пути их решения. Установлена связь полных и удельных давлений, дана оценка влияния внесних параметров на усилия и скольжение в калибре косоваляового стана.

Полученные ревзния использованы для определения граничных условий и устойчивости процесса, оценки прочностных возможностей узлов стана, прогнозирования совергенствования процесса, научного обоснования постановки экспериментальных исследований.

2. Различные конструкции косозалковых станов представлены в канонической форме в зависимости от взаимного расположения осей валка и заготовки, что позволило на общей факторной плоскости выявить области проиивных станов разных трубопрокатных агрегатов, сопоставить их конструктивные параметры, сортанэнткые я кинематические возаогности.

3. Разработаны и обоснованы методы расчета основных параметров процессов винтовой прокатки при перемещении заготовки по длине очага дефортцки. Новые рссзния базируются на выявленных физических особенностях формоизменения заготовки в косовалковоы стане к болео полно учитывают коэффициент овалнзации, форму поперечного сечения и другие факторы. Дня каздого цикла обжатия определены саг подачи, единичное обжатие, сирина контактной поверхности, степень, скорость и сопротивление деформации.

4. Расширены границы использования феноменологической теории деформируемости за счет оценки несоответствия постоянно иеняющих-ся условий исследуемого процесса с условиями, при которых получена диаграмма пластичности.

Указанное несоответствие выражено через сопротивление деформации, определяемое по теории наследственных сред с учетом полученных в работе зависимостей для времени деформации и рекристаллизации , скорости и степени деформации. Величина погрешности при определении (р без учета коэффициента несоответствия £ в отдельных случаях винтовой прокатки может достигать 20%.

5. Осуществлено развитие экспериментальных методов анализа напряженного состояния на контакте с рабочим инструментом и по сечению заготовки при поперечной и винтовой прокатке. В качестве экспериментальных методов использованы упругие модели, оптически-чувствительные покрытия, составной инструмент из оптических материалов, метод замораживания.

Выявлен характер изменения напряженного состояния по сечению сплошной и полой (с оправкой и без оправки) заготовок по длине очага деформации. Установлено влияние типа направляющего инструмента, числа и расположения рабочих валков, размеров и эксцентриситета центровочного отверстия на напряженное состояние. Исследовано распределение контактных напряжений от различных факторов.

6. Для приближенной оценки показателя жесткости схемы напряженного состояния в поперечном сечении заготовок с учетом реальных свойств материала использованы методики, основанные на принципе дополнительных напряжений и деформаций.

Сравнение расчетных данных и результатов экспериментальных исследований, полученных на модельных материалах, показало хорошую качественную сходимость.

7. На различных косовалковых станах проведены комплексные экспериментальные исследования, позволившие получить зависимости энергосиловых, кинематических и деформационных параметров от настройки станов, калибровки технологического инструмента, типа направляющего инструмента. По экспериментальным данным проведена опенха точности предложенных аналитических выражений и обоснована правомерность принятых гипотез.

8. Разработаны и реализованы на ЭВМ математические модели для асследования и совершенствования процессов винтовой прокатки и про-знвхи заготовок, расчета рзжимов на всех станах трубопрокатных 1грогатоп и для определения форгш технологического инструмента. Остановка и решение указанных задач основаны на обобщении ранее выполненных другими автораки исследований с учетом полученных э данной работе результатов.

Адекватность математических моделей подтверждена сопоставлена результатов расчетов с экспериментальными данными.

9. Выявлено влияние параметров настройки стана и калибровки залков (обжатия перед носком оправки Lip , коэффициента овали-защш , диаметра заготовки d^ , углов подачи е>С , вход-гого У^ и выходного конуса валков1 на степень исполь-50вшия ресурса пластичности У _ . Показано, что для уменьсе-шя УУ , т.е. для создания более благоприятных условий

деформации металла, целесообразно снижать ц„ , Í- и повышать d^ . сК. » и у? . Для определения рациональных значений

и построены номограммы.

10. Проведено сопоставление режимов винтовой прокатки по величине накопленной деформации • Показано, что по степени влияния на Лg ряд параметров может быть представлен в виде:

до носка оправки - о^ , f? , £ t Sr * » Д° пережима валков -d^ , Sr , oOg, p , £ • Такое влияние подтверждает важное значение размера исходной заготовки.

При обжатии сплошной заготовки в косовалковом стане сопоставлено влияние обжатия по диаметру Ц¿ • углов подачи оС и конусности у валков на At • Показано, что в исследвванных диапазонах изменения параметров значения /1^. наиболее сильно зависят от Ц^ . При встречающихся на практике ограничениях по изменению &С н ^f даже небольшое уменьшение или увеличение t¿s позволяет в зависимости от свойств исходных заготовок влиять на У12 в нужном направлении.

11. Для применяемых обжатий перед носком оправки Цв на факторной плоскости установлены области прошивных станов различных трубопрокатных установок. Обоснованы и предложены пути совершенствования процессов в зависимости от типа заготовок (деформированная, непрерывнолитая, слиток), обладающих разной исходной пластичностью.

Выявлен» границу, где допустимо одновременное изменение d^ и oOg без существенного влияния на А^ , что позволило для проливного стана ТПА 140 ПНТЗ повысить диаметр заготовки с 90 до 105 мм и диаметр валка в пережиме с 670 до 745 мм и добиться повышения зффективности производства.

12. Для трубопрокатных агрегатов разработаны новые подходы составления рациональных таблиц прокатки, основанные на првдло-

женных расчетных методах. В прошивном стане они включают для заданного размера труб рекомендации по выбору диаметра заготовки, коррекцию установки стержня с оправкой по фактической форме калибра, уточнения по определению расстояния между валками и линейками, обеспечивающими рациональный режим частных обжатий и точность гильз по диаметру и толщине стенки. В обкатном косовал-ковом стане эти подходы служат для определения коэффициента вытяжки и диаметра оправки за счет учета фактической площади трубы после раскатки гильзы в автоматическом стане.

С использованием разработанных рекомендаций составлены таблицу прокатки для ТПА 140 и 220 ПНТЗ при производстве труб из углеродистых и высоколегированных сталей.

13. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований на различных заводах внедрены технологические рекомендации и новые технические ресэния, включающие рациональные резины прокатки, технологический инструмент (валки, оправки, направляющие линейки), а также способы подготовки заготовок, настройки стана и винтовой прокатки.

Полезность технологических рекомендаций и технических решений подтверждена документами министерств, ведомств и заводов о внедрении на заводах России, Украины и Грузни. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертации по личному вкладу автора составляет 1 млн. 247 тыс. рублей (в ценах 1990 года).

•14. Совокупность научных положений, сформулированных и обоснованных в диссертации, является теоретическим обобщением и решением крупной научной проблекы совершнствования производства горячекатаных труб из различных сталей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основные результаты диссертации опубликованы:

а) в монографии, броЕпоре и учебных пособиях:

1. Голубчяк P.M., Полухин П.И., Патвеэв D.M. и др. Исследование процессов производства труб. П., "Металлургия", 1970. 326 с. с ид.

2. Голубчик P.M., Потапов И.Н. Технология получения труб с использованием станов винтовой прокатки. НИИИНФОШТЙЖМАШ, П-76-53. Москва, 1976. 57 с. с ил.

3. Голубчик P.II. Элементы тос jm обработки кэталлов давлышеи. Изд-во МЭИ. Москва, €979. 61 с. с ил.

4. Голубчик P.M. Технологически© расчэты в обработке металлов давлением, Изд-во МЭИ. Москва, 1934. 79 с. с ил.

б) в статьях

1. Полухкн П.И., Голубчик P.M. Вторичные условия захвата при прокатке полых тел на оправке в сталях косой прокатки. Известия вузов, Черная иоталлургия, i960, £ И, с.66-70.

2. Полухин П.И., Осадчкй В,Я., Голубчик P.M., Зельдович Л.С. Определение осевых усилий, действующих на оправку провавного стана. Извэстик вузов, Черная металлургия, 1961, Р 5,с.I02-II

3. Падухин П.И., Осадчкй В.Я., Голубчик P.M. К вопросу о вторичных условиях захвата при прописке. Известия вузов, Черная металлургия, 1961, Р 6, с.74-78.

4. Полухин П.И., Голубчик P.M., Зельдович Л.С. Определение площади соприкосновения иеталла с валками при прошивке. Столь, 1961, £ 7, с.626-629.

5. Полухин П.И., Осадчий В.Я., Голубчик P.M., Кнрвалидзе Н.С, Экспериментальное исследование процесса прошивки. Известия вузов, Черная металлургия, 1961, & 7, с.88-96.

6. Полухин П.И., Голубчик P.J., Карпов С.П. Действие сил на рабочий инструмент стана косой прокатки. Процессы прокатки. Сб.

трудов МИСнС, вып. XU . Li., Металлургиздат, 1962, с.294-314.

7. Полухин П.И., Осадчий В.Я., Голубчик P.Ü. и др. Совершенствование калибровки рабочего инструмента обкатных станов установки 409. Там ае, с. 319-326.

8. Подухнн П.И., Голубчик P.M., Карпов С.П. Определение усилий, действусщих на рабочий инструмент стана винтовой прокатки. В кн. "Инженерные метода расчета технологических процессов обработки каталлов давлением". И., Ыеталлургиядат, 5963,с.262-271.

9. Полухин П.И., Осадчий В.Я., Голубчик P.Ü. и др. Определение усилий, мв2?1ооти и удельного расхода вноргии при проинвкв. В

сб. "Обработка металлов давлением" (труды ИМет, МЭИ и МИСиС), вып. XL1У. Иэд-ио МЭИ. И., 1963, о Л17-133.

[О. Полухин П.И., Осадчий В.Я., Голубчик P.M. и др. Исследования калибровки оправок прошивных станов. Там же, с.292-302.

tl. Полухин П.И., Матвеев D.H., Голубчик P.M. и др. Центровочное отверстие как концентратор напряжений при прошивке. В кн. "Технический прогресс в трубной производстве". М., "Металлургия", 1965, с.133-139.

12. Воронцов В.К., Голубчик P.M., Зайончик Л.И. и др. Использование оптического метода для исследования процесса поперечно-

винтовой прокатки. 5 кн. "Поляризационно-оптический метод исследования напряжений" (труды 5-й всесоюзной конфспвкцин). Изд—ВО ЛГУ. Ленинград, 1966, с.235-242.

■13, Полухин П.И., Матвеев D.M., Голубчик P.M. и др. К вопросу о напряженном состоянии заготовки (гильзы) в стане со смещенной осью. В сб. "Производство сварных и бесшовных труб" (УралНИТИ), вып. 5. М., "Металлургия", 1965, с.97-110.

4. Полухин П.И., Матвеев D.M., Голубчик P.M. и др. Роль линеек и направляющих валков при поперечно-винтовой прокатке. В сб. "Производство сварных и бесвовных труб" (УралНИТИ), вып. УП. М., "Металлургия", 1967, с.127-138.

15. Воронцов B.K., Голубчик P.M., Миленный К.Ф. Методика исследования процесса поперечной прокатки. В сб. "Пластическая деформация металлов и сплавов" (МИСиС), nun. Xt-П, М., "Металлургия", 1967, с.344-352.

16. Матвеев D.M., Голубчик P.M., Зайончик Л.И. и др. Повышение критического! обжатия прошиваемой заготовки изменением настройки стана. В сб. "Производство сварных и бесшовных труб" (УралНИГИ), вып. УШ. М., "Металлургия", 1968, с.95-102.

17. Матвеев D.M., Полухин П.И., Голубчик P.M., Цодокова Н.С. Гёометрия очага деформации стана поперечно-винтовой прокатки. В сб. "Производство сварных и бесшовных труб" (УралНИГИ), вып. IX. М., "Металлургия", 4968, с.79-87.

•18. Матвеев D.M., Голубчик P.M., Финкельнггейн Я.С. и др. Формоизменение при поперечно-винтовой прокатке в стане со смещенной осью. Там же, с. 93-102.

19. Полухин П.И., Голубчик P.M., Миленный К.Ф. Скольжение металла при поперечной прокатке. В сб. "Пластическая деформация металлов и сплавов" (МИСиС), вып. XL.УП. М., "Металлургия", 1968,. с. 172-176.

20. Матвеев D.M., Голубчик P.M., Цодокова Н.С., Зайончик Л.И. Искажение очага деформации в стане винтовой прокатки со смещенной осью. В сб. "Трубное производство Урала", вып. Т. Южно-Уральское изд-во. Челябинск, 1969, с.79-63.

21. Полухин П.И., Голубчик P.M., Миленный К.Ф. и др. Скольжение металла при поперечной прокатке в двухвалковом стане с различным направляющим инструментом. В сб. "Обработка металлов давлением" (МЭИ, МИСиС, ВНИИМЕТМАШ), вып. 5. Изд-во МЭИ, М., 1969, с.184-191.

22. Голубчик P.M., Миленный К.Ф., Воронцов В.К. Контактные напряжения при поперечной прокатке. В сб. "Технология металлов" (МЭИ)'. Изд-во МЭИ. М., 1969, с.34-39.

23- Полухин П.И., Голубчик P.M., Ииленный К.Ф. и др. Теоретические основы кинематики поперечной прокатки. В сб. "Пластическая деформация сталей и сплавов" (МИСиС), вып.ЬХ1У. М., "Металлургия", 1970, с. 146-152.

24. Голубчик P.M., Зайончик Л.И., Светлаков A.A. и др. Скоростные условия при прошивке заготовок в стане со смещенной осью. В сб. "Производство сварных и бесповных труб" (УралНИГИ), вып. ХП. М., "Металлургия", I97-I, с.39-45.

25. Голубчик P.M., Блохин В.В., Милепный К.Ф. и др. Расчет реактивных усилий на направляющий инструкент стана поперечно-винтовой прокатки. Там яе, с. 66-71.

26. Матвеев D.M., Голубчик P.M., Зайончик Л.И. и др. К вопросу о настройке станов поперечно-винтовой прокатки со смещением оси заготовки. В сб."Трубяое производство Урала" (вып. 2). ЮУКИ. Челябинск, 1972, с.46-59.

27. Голубчик P.M., Блохин В.В. Определение критического угла при поперечно-винтовой прокатке. В сб."Пластическая деформация сталей и сплавов" (МИСиС), вил.LXXI. М., "Металлургия",1972, с.124-126.

28. Голубчик P.M., Полухин П.И., Блохин В.В. и др. Распространение пластической деформации по поперечному сечению трубной заготовки. Там, яе, с Л29-132.

29. Голубчик P.M., Свистунов S.A. Настройка стана а дробность деформации. В сб. "Производство оборудования для тепловых электростанций", (МЭИ), вып. 130. Изд-во МЭИ, М., 1972. М.,с.96-100.

30. Голубчик P.M., Блохин В.В., Свистунов Е.А. Физические основы расчета параметров формоизменения при винтовой прокатке.Там яе, с.101-108.

31. Полухин П.И., Голубчик P.M., Свистунов Е.А. Расчет коэффициентов радиальной, поперечной и продольной деформации при прошивке. В сб."Пластическая деформация сталей и сплавов" (МИСиС),

вып. 76. И., "Металлургия", 1974, с. -13<М35.

32. Воронцов В.К., Голубчик P.M., Полухин П.И. и др. Исследование контактных напряжений при проЕЯВке с помощью поляркзационно-оптического катода. Там Ее, с .£15-422.

33. Голубчик P.M., Полухин П.И., Воронцов В.К. и др. К вопросу об оптимальной схема приложения вневшх усилий при винтовой прока ко. Там ке, с.122-130.

34. Голубчик P.m., Полухин П.И., Миленный K.S. и др. Сортамент ста нов винтовой прокатки с регулируемой схекой приложения вневдкх усклий. Таи же, сЛ35-133.

35. Полухин П.И., Голубчик P.M., Алехин А.Ф. и др. Силовые и кинематические условия при пропнвке в стане со смещенной осью с различным направляющим инструкектоа . "Черкетшфэркация", 1973, » 6 (698), с.46-48.

36. Голубчик P.M., Полухин П.И., Блохии В.В. Математическое подали рование процесса прогшвки. В кн."Теория прокатки" (материалы конференции по теоретический проблензм прокатки). М., "Металлургия", 1975, с.ЗИ-316.

37. Голубчик P.M., Потапов И.Н., Тряпицмн Ю,Д. Теоретические ochoi экспериментального определения усилий при поперечно-винтовой прокатке. Там ев, с.317-321.

38. Голубчик P.M., Новодереккин В.П. Использование ЭВМ для соверпг ствования ыотсиатичэской шдели процесса винтовой прокатки. В сб."Парогенераторостроение и производство оборудования для snt трических станций" (МЭИ), вып. 213. Изд-во МЭИ, Ii., 1975.с.14i

39. Голубчик P.M., Кротова H.A., Столетний M.S., Королев В.И. Стр] турные зоны в очаге деформации при прошивке заготовок из стал! I2XI8HI0T. Труда МЭИ, вып.225.Изд-во МЭИ. М.,1975, с.83-84.

40. Голубчик P.M., Потапова М.С., Кротова H.A., Королев В.И. Треп?! яообразование при проЕивке заготовок из стали 12XI8HIQT. Там вв, с.85-89.

41. Голубчик P.M., Новодережкин В.П., Полухин П.И. и др. Применение ЭВМ для математического моделирования и соверненствования режимов формоизменения при прошивке. В сб. "Применение ЭВМ в металлургии" (МИСиС), вып. 82. М., "Металлургия", 1975, с.225-234.

42. Полухин П.И., Голубчик P.M., Воронцов В.К., Кротова H.A. Причины пониженной пластичности стали 12Х1ШЮТ при винтовой прошивке труб. В сб. "Теория и технология обработки металлов давлением" (МИСиС), »94. И., "Металлургия", 1976, с.29-33.

43. Голубчик P.M.. Соввркэнствованио технологии винтовой прокатки с использованием результатов исследований поляризационно-опти-ческим методом. В сб. "Материаловедение в машиностроении" (МЭИ), вып. 365. Изд-во МЭИ, 1976, с.58-64.

44. Голубчик P.M., Новодережкин В.П., Потапов И.Н., Королев В.И., Повышение точности горячекатаных труб на установках с автоматическим станом. Там. же, с.64-68.

45. Голубчик P.M., Белевитин В.А., Воронцов В.К. Математическое моделирование и совершенствование процессов винтовой прокатки. В кн. "Теоретические проблемы прокатного производства" (тезисы докладов всесоюзной конференции). Днепропетровск, I980,c.2I0-2II.

46. Голубчик P.M., Воронцов В.К., Белевитин В.А. О выборе оптимального соотнопения диаметров валков и заготовки. Сталь, 1982,

& 8, с.64-66.

47. Голубчик P.M., Воронцов В.К., Белевитин В.А. Совершенствование процесса винтовой прокатки при постоянной и переменной вытяжках. В сб. "Материалы и технология в энергомашиностроении" (МЭИ), вып. 369. Изд-во МЭИ. ü., 1978, с.84-88.

48. Голубчик P.M., Зиайя Д., Краллич Д. Определение степени использования ресурса пластичности в условиях приближенного модеяи-рования. Там же, с.81-84.

49. Воронцов В.К., Белевитин В.А., Голубчик P.M. Показатель схемы напряженного состояния и расчет параметров пластического формоизменения при винтовой прокатке. В сб. "Пластическая деформация сталей и сплавов" (МИСиС), вып. 130. М., "Металлургия", 1981, с.75-78.

50. Голубчик P.M., Нодев Э.О., Белевитин В.А., Королев В.И. Совершенствование режимов прошивки заготовок на косовалковых станах. Черная металлургия, 1985, » 9 (9891, с.39-41.

51. Poluhin P.I., Golubchlk R.M. Weiterentwicklung der Technologie der Rohrezengung auf der Grundlage der Ergebnisse spannungsoptischer Untersuchungen, Neue Hütte, 19T7, no.3, s.118-125.

52. Golubchlk R.M., Krotova N.A., Koroljov V.l. Besonderheiten der For-^mänderung und Zerstörung von hochlegiertem Stahl beim Walsen und Lochen im Schrägwalzwerk. Neue Hütte, 1982, no.5, s. 281-293.

53. Golubchlk R.M., Klempert E.D., Lebedev A.V. Vervollkommnung der Ilmformtechnologie beim Wannwalzen von Rohrew. Neue Hütte, 1990, no.5, s.172-176.

54. Golubchlk R.M., Lebedev A.V. New methods Piercing mllls setting relaring to the ciclic forming of hollows. History and future of seemleas ateel tubea (7-th International Conference). Karlovy Vary, 1990, p.1/8 - 1 -17.

в1 в изобретениях

1. Полухин П.И., Голубчик P.M., Миленный К.Ф. и др. Устройство для изучения оптическим методом напряженно-деформированного состояния валков и заготовок в процессе прокатки. A.c. № 189202. Бголл., 1966, № 2.

2. Потапов И.Н., Полухин П.И., Осадчий В.Я. и др. Способ прокатки бесшовных тонкостенных труб. A.c. * 162089. Бюлл., 1964, № 9.

3. Голубчик P.M., Полухин П.И., Потапов И.Н. и др. Способ зацентров ки горячей трубной заготовки. A.c. № 501782. Бюлл., 1976, № 6.

4. Голубчик Р. М., Полухин П. И., Потапов И. Н. и др. Пневматический зацснтровщик горячей трубной заготовки. А. с. № 492324. Бюлл., 1975, № 43.

5. Голубчик Р. М., Новодережкин В. П., Полухин П. И. и др. Способ настройки станов винтовой прокатки. А. с. № 508284. Бюлл., 1976, № 12.

6. Фотов В. В., Столетний М. Ф„ Голубчик Р. М. и др. Оправка прошивного стана. А. с. № 522868. Бюлл., 1976, № 28.

7. Клемперт Е. Д., Чикалов Г. В., Голубчик Р. М. и др. Валок раскатного стана. А. с. № 523730. Бюлл., 1976, № 29.

8. Голубчик Р. М., Полухин П. И., Потапов И. Н. и др. Технологический инструмент косовалкового стана. А. с. № 556854. Бюлл., 1977, № 17.

9. Голубчик Р. М„ Белевитин В. А., Королев В. И. и др. Линейка прошивного стана. А. с. № 1144738. Бюлл., 1985, № 10.

10. Клемперт Е. Д., Голубчик Р. М., Нодев Э. О. и др. Способ винтовой прокатки. А. с. № 1328013. Бюлл., 1987, № 29.

Зак. 284 Объем 3,0 Тир. 100

Типография МЭИ